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La física de Los Vengadores

mayo 8, 2012

Si en su momento he escrito una entrada sobre la física de Thor dedicando especial atención a los agujeros de gusano como procedimiento para conectar Asgard con los diferentes mundos a través del Bifrost, ahora me toca comentar alguna cosa de la entretenida Los Vengadores. Pues aunque desde luego la película no busca ser precisamente ciencia ficción hard, y las conversaciones científicas son más bien una serie de tópicos en los que es mejor no profundizar, de nuevo hay algunos pequeños detalles que sí tienen un sentido dentro de la física bastante claro, y que para mí son pequeñas perlas de calidad. En este caso son los asgardianos quienes están de por medio, como no podría ser de otro modo, y en el momento en que Thor aparece para llevarse a Loki, al principio de la pelicula, este último hace un comentario sobre lo que pasó con el Bifrost y sobre cuánta energía oscura  habrá tenido que recolectar Odín para permitir el viaje entre mundos de su hijo.  ¿A qué se refiere Loki? ¿Realmente tiene algún sentido? Pues bien, se refiere a uno de los misterios más apasionantes de la física actual, y tiene todo el sentido del mundo.

Pero para poder ofreceros las respuestas tenemos que volver de nuevo a las contribuciones de Albert Einstein a la física, lo que está siendo una constante en las entradas que he dedicado a la relación del mundo del cómic y el cine con la física. Y de nuevo hay que considerar la teoría de la gravitación de Einstein, también conocida como teoría de la relatividad general, sólo que ahora hay que considerar la aplicación de las ecuaciones de la teoría al estudio de los problemas cosmológicos. Precisamente Einstein aplicó bastante pronto sus ecuaciones para el estudio global del universo, algo que hasta ese momento no había sido posible en el marco conceptual de la física anterior a sus contribuciones (y las de David Hilbert, entre otros) al campo de la gravitación. Si Einstein ya había publicado los resultados fundamentales de su teoría en 1915, para 1917 ya aplicó sus ecuaciones de campo para la construcción de un modelo de universo físicamente razonable. Éste consistía en un universo cerrado espacialmente y estático, pero Einstein descubrió que su solucion era inestable, y que cualquier pequeña perturbación en la distribución de las masas implicaba un proceso de contracción o expansión.

Ante esta dificultad añadió un término a sus ecuaciones, el término cosmológico Λ, o constante cosmológica. Este término se puede introducir porque lo permiten las ligaduras que las ecuaciones tienen en base a los principios físicos por los que son derivadas, así como la estructura matemática de la teoría, y en la figura adjunta podéis ver la forma que tienen las ecuaciones de campo de Einstein con constante cosmológica. El problema surge cuando tenemos que interpretar físicamente este término, pues podemos hacerlo en la parte izquierda de la ecuación, y por lo tanto tiene alguna relación con la curvatura del espacio-tiempo, o en la derecha, en cuyo caso es un término fuente de las ecuaciones como aparece en la ecuación siguiente:

El principal efecto de este término es la aparición de una fuerza de repulsión, que compensa la de atracción gravitatoria, y consigue mantener el universo de Einstein en equilibrio. Sin embargo, el matemático ruso Alexander Friedman (que curiosamente también hizo contribuciones a los fluidos, que combinaban ciencia y aventura) encontró un conjunto de soluciones de las ecuaciones de campo en las cuales se predice la expansión del universo, y que son las que se utilizan hoy como base de la cosmología. Aunque otro de los padres de la cosmología, Georges Lemaître, trabajó con soluciones que involucraban una constante cosmológica, la evidencia observacional mostró que el universo realmente se expande y la solución estática de Einstein no reproduce la física del universo. Así, Einstein llegó a afirmar que la constante cosmológica había sido el mayor error de su vida. ¡Qué equivocado estaba!

Desde entonces la constante cosmológica ha tenido un devenir en la física bastante guadianesco. Durante los años sesenta del pasado siglo el tema resucitó como resultado de la aplicación de ideas de la teoría cuántica de campos. Según esta teoría el vacío no es algo estático y sin contenido, sino que es una entidad dinámica en la que se producen continuas fluctuaciones de modo que se puede plantear la existencia de un valor de energía del estado vacío. Algunos físicos como Yakov Zel’dovich sugieron que estas propiedades del vacío podrían dar una explicación del origen de la constante cosmológica. De nuevo no puedo resistirme a poner la ecuación de Zel’dovich:

Sin embargo los valores obtenidos con esta ecuación daban valores enormes comparados con las ligaduras observacionales. Desde entonces se consideró que tal vez la constante no fuese cero, pero que realmente tendría que ser muy pequeña. El problema es que hay un abismo en órdenes de magnitud entre la explicación de teoría cuántica de campos y cualquier estimación razonable de dicha constante, en concreto la constante es más pequeña del valor predicho en un factor de 10-120.

Y este se ha convertido en uno de los grandes misterios de la física como resultado de un descubrimiento producido en 1998, y por el que los directores de los equipos involucrados recibieron el Premio Nobel de Física 2011. Como resultado de la observación de las curvas de luz de supernovas estos equipos encontraron que en contra de lo que se creía hasta ese momento el universo no está frenando su expansión, sino que la está acelerando. Precisamente ese es el comportamiento que se esperaría en caso de la que constante cosmológica fuese distinta de cero y positiva.

No está claro si el efecto del expansión es debido a un término realmente constante o es resultado de la acción de algún tipo de campo desconocido que varía con el tiempo yse suele denominar su contribución al total de la distribución de masa-energía del universo como energía oscura, precisamente, el término empleado por Loki. El hecho de que no se tenga una idea precisa de qué es realmente la energía oscura es inquietante, ya que represent un 73% del total de la masa-energía del universo.  ¿Pero qué tiene que ver la energía oscura con el viaje de Thor para unirse a la escuadra de héroes vengadores?

La relación se establece en base a las propiedades de los agujeros de gusano, pues como comenté en la entrada sobre la película de Thor, estos necesitan de materia con densidad de energía negativa. Con mayor precisión lo que se necesita es algún tipo de materia que tenga un efecto de presión negativa, y es precisamente se efecto de repulsión que se genera el que permite mantenerlos estables. A pesar de ser unas propiedades bastante exóticas, la energía oscura parece satisfacerlas. El problema es que para construir agujeros de gusano habría que recolectar grandes cantidades de energía oscura, pues esta sólo se manifiesta de forma significativa a escalas cosmológicas. De ahí que Loki le pregunte a su hermano con ironía cuánta cantidad de energía oscura ha recolectado su padre, lo que hasta para el poderoso Odín debe ser una tarea complicada. Y por eso, me ha gustado este detalle de física correcta e interesante, que he podido apreciar en la película. Quizá introducido como huevo de pascua para disfrute de los físicos frikis.


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