Viajes con la luz con Einstein por el Universo

Cuando en una noche estrellada, a ser posible en  la oscuridad, sin la contaminación lumínica de las ciudades que apantalla el cielo, si miramos hacia arriba y observamos la inmensidad del Universo, un escalofrío recorre nuestro interior al observar la infinidad de galaxias, estrellas y mundos que viajan por el cielo. Sabemos que estamos observando el mayor de los misterios porque hay tantas preguntas sin respuestas comprobables que surgen en nuestra imaginación… ¿Cómo se formó el Universo? ¿Cómo nació la vida? ¿Hay vida en otros mundos? ¿Será igual que la nuestra? ¿En qué lado del Universo estarán esos mundos? ¿El Universo tiene fin, es finito? Y si lo fuera ¿Qué hay después?....

El Universo es un todo homogéneo de superficie ilimitada, infinita, en donde son tan inmensas las distancias que no valen las unidades que utilizamos aquí. Ya en una entrada anterior tuve que hablar del año luz como una interestelar medida de distancia dada la enorme lejanía en que están separadas las galaxias. Un “año luz” es la distancia que recorre la luz en un año. Si tenemos en cuenta que en un segundo recorre 300.000 km, si multiplicamos esa cantidad por los segundos que hay en un año, tendremos el valor en km de un año luz, diez billones de km (10¹² Km), esto es, un 10 seguido de doce ceros. Algunos podrían pensar que esta unidad de medida es un tanto exagerada, pero teniendo en cuenta la infinidad de tamaño del universo y las extraordinarias distancias que hay entre galaxias, así como el inmenso tamaño de éstas  - en la galaxia espiral de la Vía Láctea, que es una galaxia mediana de sólo cuatrocientos mil millones de estrellas, en la que nuestro sistema solar está en un borde de un extremo y dentro nuestro planeta, la luz tarda en cruzar de un extremo al otro casi ochenta mil años luz  – está claro que no es una unidad de medida exagerada, sino más bien corta. La galaxia más cercana a la nuestra, a la Vía Láctea, la denominada M31, en la constelación de Andrómeda (una constelación la forman varias galaxias cercanas) está a una distancia de 2,3 millones de años luz. Significa que cuando la luz salió de ella no existía el  hombre (Homo Sapiens) en la Tierra. El Universo es casi infinito, pero está muy vacío. Por su inmensidad se desplazan las galaxias con millares de millones de estrellas. Cada estrella forma un sistema solar con un número variable de planetas. Hay sistemas solares con una estrella solitaria como el nuestro, pequeños, pero hay otros que lo forman varias estrellas y el número de sus planetas es enorme.

Como ya dije en mi anterior entrada, dado que la luz viaja a una distancia medible, la vista que observamos por la noche cuando miramos al cielo no es real, no está actualizada. Si mirásemos por ejemplo con un telescopio a la galaxia M31, está claro que la veríamos como estaba hace 2,3 millones de años, ya que es ese el tiempo que tarda la luz en traer su imagen a nosotros; si hoy desapareciera había que esperar ese tiempo para enterarnos. Por eso, en el Universo tiempo y espacio están conectados. Es imposible observar en una noche el universo sin viajar hacia atrás en el tiempo. Hacer hoy una fotografía de Júpiter es tener una fotografía de hace 37 minutos y 45,41 segundos, que es el tiempo que tarda la luz en traernos su imagen.

Parte conocida de “nuestro vecindario” del Universo. Como se observa en la imagen, conforme nos alejamos de la Tierra retrocedemos en el tiempo precisamente debido a que debemos descontar el tiempo que ha tardado en llegarnos esa imagen. RECUERDA QUE SI PICAS SOBRE ELLA SE HARÄ MÄS GRANDE.

Estas enormes distancias limitan fundamentalmente el conocimiento del Universo y nuestros viajes planetarios y estelares, incluso nuestro Sistema Solar (la distancia entre la Tierra a Venus, el planeta más cercano, es de 40 millones de kilómetros; a Marte de 58 millones de kilómetros;  a Júpiter de casi 680 millones, a Saturno de 1500 millones…) y en nuestra propia galaxia, sin olvidar que hay galaxias muy lejanas de la nuestra. La galaxia elíptica M81 está a una distancia de 7 millones de años luz, la galaxia remolino M51 está a 13 millones de años luz, la galaxia Centauro A a 14 millones de años luz, la galaxia M87 a 40 millones de años luz, la galaxia sombrero M104 a 42 millones de año luz,… que comparadas con la mayor parte de las galaxias del Cosmos (se estima que pueden existir 10¹¹ galaxias, esto es, un 10 seguido de diez ceros), las que he citado están muy “cercanas”, ya que la mayoría de ellas están por encima de los 1000 millones de años luz. Esto hace que sea una quimera incluso salir de nuestro sistema solar.  Las dos naves espaciales interestelares más rápidas, construidas en la Tierra, son las Voyager. Se desplazan a una velocidad de 30 km por segundo (108.000 km/h). A esa velocidad, llegar al centro de nuestra galaxia tardaría aproximadamente 2440 años, demasiado tiempo para llevar allí a un hombre, pero es que además son naves no tripuladas. Las tripuladas se desplazan con mucha menor velocidad. Entonces ¿Podría salir alguna vez el ser humano del Sistema Solar?.

“Universo Local” observable, con la Vía Láctea (nuestra galaxia) en su centro. RECUERDA QUE SI PICAS SOBRE ELLA SE HARÄ MÄS GRANDE.

Para responder a esa pregunta tenemos que hablar de un extraordinario científico, Albert Einstein (1879-1955). Su razonamiento cambió la concepción del Cosmos (Cosmos y Universo son dos palabras que significan lo mismo, a pesar de que algunos investigadores les dan un ligero matiz filosófico diferencial, cuando señalan que con Universo nos referimos a la percepción presente del cielo, en todo su conjunto, contenido e inmensidad, y que con Cosmos se refieren a todo lo que fue, es o será alguna vez; es un sentido posiblemente más amplio de la misma realidad). Cuando era muy joven, con 12 años, Einstein se fascinó al leer a Bernstein en  “El libro popular de Ciencia natural” en el que se señalaba la enorme velocidad de la luz por el espacio o la gran velocidad de la electricidad por los cables de metal. Empezó a preguntarse cómo se vería el mundo si se pudiera viajar en una onda de luz. Por otro lado se planteó algunas cuestiones banales; si se mueven dos objetos a diferentes velocidades por una carretera recta, un observador fijo ¿vería antes al más rápido? La respuesta tenía que ser afirmativa, ya que la luz que le lleva al observador ambas  imágenes tendría que ir a una velocidad más rápida al sumar la velocidad de la luz a la velocidad que lleva cada objeto. Sin embargo, esto no ocurre así, a lo largo de todo el trayecto el observador fijo percibe por igual a los dos objetos que se desplazan, aunque sea a diferentes velocidades. Cierto que llegará antes a él el objeto más rápido, pero la percepción del desplazamiento de los dos objetos en movimiento no variará. Esto le hizo plantearse unos principios básicos (comenzaba a señalar los fundamentos de su teoría especial de la relatividad) para entender el mundo. Señaló que la luz, reflejada o emitida por un objeto es la misma si está quieto o si está en movimiento. Para ello definió la velocidad de la luz como una velocidad límite que nunca podrá superarse, por lo que ninguna otra velocidad podrá sumarse a la de la luz.

El mundo que vemos se nos muestra con esa velocidad. Todo lo que vemos nos llega con la velocidad de la luz. Si superáramos esa velocidad, el mundo que veríamos sería otro diferente al que percibimos. Nosotros vemos este mundo con estas formas y colores porque el ser humano ve en el espectro visible. La luz solar está formada por un número elevado de radiaciones de diferentes energías, siendo la luz visible una de ellas. En la luz solar hay radiaciones de muy baja energía, como las ondas de radio o las de televisión, que el ser humano no puede ver, necesita aparatos para detectarlas. Tampoco podemos ver las ondas infrarrojas; una parte de ellas las detectamos por el calor de una resistencia, porque esta radiación produce calor pero no la vemos, seguimos siendo ciegos para esa “luz”. Sólo las ondas visibles son percibidas por el ojo humano. En ellas están todos los colores que se pueden observar en el arco iris o haciendo incidir un rayo de sol en un prisma de cuarzo. Si la luz que sale del prisma la hacemos incidir sobre una lámina blanca, veremos en ella un haz de rayos con diferentes colores, que van desde el rojo (que está por encima del infrarrojo) y pasan por una gama de colores, naranjas, amarillos, verdes, azules, morados…y llega al violeta, en el otro extremo del “abanico” o espectro. Es la gama de colores que forma la luz visible que el ojo humano puede detectar. Por encima del violeta está la luz ultravioleta que ya no vemos, igual que las radiaciones que siguen conforme aumenta su energía (o frecuencia con la que vibran esas ondas, como si fueran cuerdas de guitarra). El mundo que vemos es el resultado de la luz visible que percibimos, pero si se pudieran utilizar luces con otra frecuencia, como los perros o los gatos ¿veríamos el mismo mundo? Está claro que no. Estos animales, al necesitar de luz con más energía para detectar con mayor rapidez los movimientos, obligados ante la posibilidad de ver rápidamente a una presa o a un enemigo que quiera atacarles, han perdido mucha sensibilidad en la detección de colores. Hay mezclas de ellos que no distinguen, en beneficio de una mayor rapidez de visión e intensidad auditiva. De hecho, han desarrollado en los ojos una membrana para ello, que es la causante de que cuando fotografiamos a un perro o gato en un lugar oscuro, sus ojos salgan como luces brillantes. La visión de estos animales es la de un mundo con muchos menos colores. Sin embargo, ven mucho más en la oscuridad o por la noche. Igual ocurre con los caballos; si bien durante el día tienen más dificultad para distinguir imágenes, su visión es dicromática, no ven el color rojo, sólo detectan colores verdes y azules. No suelen distinguir las caras de sus amos por la visión, pero si por el olor o por la forma de andar. Los toros y se cree que el dinosaurio Tyranosaurio Rex y otros animales vivos detectan el movimiento brusco y es a lo que atacan (de ahí que ante un oso aconsejen quedarse totalmente estáticos, y con mucha sangra fría, en lugar de salir corriendo). Los delfines y murciélagos compensan su mala visión con un sonar natural que llevan incorporado en sus cabezas (basándonos en ellos desarrollaron los sonar en los buques y submarinos). Y no hablemos de los insectos, con sus ojos compuestos. Está claro que los animales tienen una visión del mundo diferente de la nuestra.

Diferencia de visión entre un gato doméstico y un humano durante el día y la noche.

Einstein defendía que las leyes físicas serán las mismas en todo el Cosmos y que la velocidad de la luz es una ley fundamental de la naturaleza, como la gravedad. Su idea de no superar la velocidad de la luz fue rebatida por científicos rivales, comparando la luz con el sonido, en un tiempo en el que se decía que no podía superarse la velocidad del sonido, teoría que cayó por tierra con la construcción de los aviones supersónicos. Pero no son casos iguales. El sonido necesita de un medio material para propagarse y en función de la naturaleza del medio viajará a mayor o menor velocidad. Si no hay medio, no hay sonido. Sin embargo la luz se desplaza en el vacío, en ausencia de medio alguno. Hubo un momento en que se creía que en el universo, el espacio estaba lleno de un “éter luminífero”, pero Albert A. Michelson, Premio Nobel de Física en 1907, y Edwart Morley, de 1901 a 1903, demostraron lo erróneo de esa creencia. Con veinticinco años Einstein tenía terminada su Teoría de la Relatividad. Todo lo que se afirmaba en ella se ha comprobado con éxito.  En las suposiciones que hizo, se señaló que un hombre que viajase a una velocidad variable en aumento vería pasar los objetos delante de él cada vez más rápido. Conforme nos acercamos a la velocidad de la luz ocurre un fenómeno muy extraño, todo se comprime en una extraña ventana circular delante de nosotros. Un observador fijo nos vería emitir  luz azul al acercarnos, mientras que al alejarnos la luz emitida sería roja (cuando desde un telescopio se observan las galaxias en el espectro se ve de color rojo, lo que indica que se alejan, es decir que el universo se sigue expandiendo). Ya muy próximos a la velocidad de la luz nuestra masa aumentaría, como ocurriría si nos pesásemos en una báscula dentro de un ascensor cuando éste subiera rápidamente, conforme más rápidamente suba el cuerpo se pegará más al suelo (acción-reacción) por lo que el peso aumentará con la velocidad de subida del ascensor, y a la velocidad de la luz todo iría muchísimo más rápido, pero para nosotros el tiempo se enlentecería y veríamos muchísimas más cosas en menor tiempo.

A esa velocidad ocurre algo especial, se produce una dilatación temporal, por lo que la medida del tiempo varía. Una persona que se mueva a esa velocidad relativa apenas envejece cuando en la Tierra se envejece a ritmo normal. Esta experiencia se ha comprobado con las partículas elementales del átomo al hacerlas girar en un Ciclotrón --aparato que acelera circularmente las partículas elementales- donde se ha visto cómo partículas que tienen un tiempo limitado de vida media, antes de descomponerse en otras, han multiplicado ese tiempo  estable cuando se desplazan a velocidades altísimas.

Esta teoría nos ofrece un medio para ir a las estrellas, pero al igual que le ocurrió a Leonardo da Vinci hace más de 500 años cuando fracasó en sus deseos de construir máquinas voladoras, nos ocurre ahora a nosotros. La tecnología no ha avanzado lo suficiente como para construir naves espaciales que permitan alcanzar esas velocidades. Lo mismo que le pasó a Leonardo, que fracasó por estar atrapado en el siglo XV, nos ocurre a nosotros en nuestro tiempo. Sin embargo, las perspectivas ahora son otras. El progreso tecnológico no está perseguido por nadie y los recursos son infinitos, si comparamos con los de Leonardo. Se han dado pasos importantes, como obtener una fuente de energía adecuada para ello o disponer de un material seguro para el transporte, pero falta el gran paso: disponer de motores para conseguir esas enormes velocidades. Sin lugar a dudas el hombre llegará a conseguirlo, aunque tengamos que esperar varios siglos más.

Dicho esto, creo necesario hacer pensar en una problemática que comienza a ser ya un hecho relevante, a pesar de no querer considerarlo y es el relativo a la basura espacial, restos de satélites, cohetes y demás artefactos que llevamos lanzando al espacio desde que comenzó la carrera espacial y que están ahí, orbitándonos y de vez en cuando, entrando en nuestra atmósfera e impactando contra la superficie terrestre o contra otros satélites. Está visto que el sino del ser humano es tener una escombrera en sus inmediaciones…

La problemática de la basura espacial es de tal magnitud que ya desde 2015 diversos gobiernos presionan para desarrollar una especie de “camión de la basura” que recoja la mayor parte de ella regresándola a la Tierra y permitiendo así reciclar estos materiales. A la derecha, detalle de una noticia centrada en esta problemática (para verla mejor, picar aquí), con la imagen de uno de los motores que cayeron en un campo de Murcia sin que ninguno de los avanzados instrumentos que miran constantemente al Universo fuera capaz de reparar en él ni de avisar. Afortunadamente no hubo víctimas.