La ciencia de Interstellar, I

Versión en PDF

Buena parte de la ciencia en que se basa la película Interstellar de Christopher Nolan está más allá de los actuales límites de la comprensión humana, escribe Kip Thorne en el prólogo a su libro The Science of Interstellar. Es por ello que se puede vestir de galas místicas y lucir un toque de trascendencia. Pero, para llegar tan lejos, será necesario ir pasito a paso.

En su libro, Thorne explica cómo fue armar de contenido científico la historia que había ideado junto a la productora Lynda Obst; desde un principio, ambos tenían claros su propósito: nada en el film podía violar las leyes de la física tal y como se conocen hoy, y cualquier especulación sobre el universo debería construirse sobre una base científica sólida. The Science of Interstellar es la guía útil para que un blockbuster parezca algo serio.

Gravedad

El tema principal para comprender la película es la gravedad. Y, para entender algo que, a pesar de ser tan familiar, resulta tan desconocido en sus aspectos esenciales, Thorne nos pide que pensemos en la fuerza electromagnética.

El magnetismo se manifiesta en la disposición de la materia a lo largo de una serie de líneas de fuerza que unen el polo positivo de un cuerpo magnetizado con su polo negativo. El conjunto de esas líneas de fuerza se llama campo magnético.

Cuando las partículas procedentes del Sol llegan a la Tierra, lo hacen siguiendo las líneas de fuerza que conforman la magnetosfera; es por eso que la inmensa mayoría de ellas son conducidas hacia los polos.

Al igual que existen los campos electromagnéticos, existen los campos de gravedad, y estos se pueden pensar como el campo magnético descrito: el campo de gravedad de un cuerpo como la Tierra, por ejemplo, empuja todo lo que entre en sus líneas de fuerza hacia el centro del planeta.

El espacio y el tiempo, puesto que éste es otra dimensión como las tres espaciales, se deforman, dice la Teoría de la relatividad, y esa deformación se manifiesta como gravedad.

Posiblemente la mayoría estamos acostumbrados a que la relatividad del espacio-tiempo se explique mediante ejemplos asociados a la velocidad de la luz: según se acelera una nave, el tiempo se ralentiza y, si se pudiera llegar a la velocidad de la luz, dejaríamos de experimentarlo; por eso, los fotones son ajenos a la dimensión temporal. Hay una razón por la que tales ejemplos pueden sustituirse por otros “gravitatorios”: según la Relatividad, gravedad y aceleración son lo mismo. Por ejemplo, si subiéramos en un ascensor, pero no supiéramos que estamos dentro de un ascensor, seríamos incapaces de distinguir entre un tirón gravitatorio y una aceleración del cubículo en que estamos, pues el efecto es el mismo: quedamos pegados al suelo.

La deformación del espacio-tiempo está provocada por la masa. Cuanto más masivo es un cuerpo, mayor será la gravedad. Y, aquí viene la clave, cuanto mayor es la gravedad en una región, más lento transcurre el tiempo en comparación con otro lugar en que haya menos masa acumulada, de manera que, desde la perspectiva de un observador allí situado, el tiempo fuera de esa región se acelera. Y, viceversa, un observador lejano que pudiera mirar en esa región, vería que todo se mueve con extrema lentitud.

En el horizonte de sucesos de un agujero negro, la gravedad es tanta que el tiempo se detiene. En sus proximidades, si un astronauta llegase a un planeta cerca de un agujero negro pero lo suficientemente lejos para no ser tragado por semejante monstruo cósmico, viviría sabiendo que sus congéneres en la Tierra estarían viendo pasar los meses e incluso los años mientras que para él transcurrirían apenas unos pocos minutos.

Pero lo sabría porque conoce las leyes físicas y comprende intelectualmente dónde se ha metido: en ningún momento sería consciente de estos cambios por experiencia propia; para él, el tiempo seguiría transcurriendo como siempre, y un minuto sería igual de corto, o largo, que cualquier minuto vivido antes de llegar al planeta en cuestión.

Y esto es así porque la materia de que está compuesto es parte del espacio-tiempo y, por tanto, se distorsiona con él; no hay lugar para la comparación entre un sistema, el cuerpo humano, y otro sistema, la región con fuerte gravedad: desde que el astronauta entra en esa región, forma parte de ella, es un elemento más del sistema y no tiene medios para observar qué ocurre, pues toda observación exige una separación entre el observador y lo observado.

El primer experimento que se hizo sobre la ralentización del tiempo tuvo lugar en 1959 en la Universidad de Harvard; allí se descubrió que el tiempo era 0,0000000000016 segundos más lento cada día a los pies de la torre de la Universidad que en lo alto de la misma, a 22 metros del suelo.

En 1976, otro investigador de Harvard, Robert Vessot, comprobó con relojes atómicos y un cohete de la NASA que el flujo del tiempo en la Tierra es 0,00003 segundos (30 microsegundos) más lento por día que a 10.000 kilómetros de altura.

Hoy se sabe que el tiempo a 20.000 km de altura transcurre cuarenta microsegundos (0,00004 segundos) más rápido por día que en la superficie de la Tierra. Puesto que esa es la zona por la que discurren los satélites del GPS, la diferencia es necesariamente calculada para que el sistema de posicionamiento global funcione correctamente.

En cuanto a las tres dimensiones espaciales, la primera demostración de la curvatura del espacio se hizo entre 1976 y 1977, gracias a las misiones Viking I y Viking II a Marte: se enviaron señales de radio a las sondas y éstas las devolvieron a la Tierra; según las Viking se ocultaban tras el Sol siguiendo la órbita de Marte, las señales comenzaron a tardar más de lo que cabría esperar si la distancia fuese calculada sobre un espacio fijo. Puesto que las señales electromagnéticas son señales luminosas, y la luz tiene una velocidad siempre constante, el espacio demostró ser el elemento variable de la ecuación: el espacio próximo al ecuador solar se deforma por efecto de la gravedad de tal manera que la distancia se incrementa en 50 km en comparación con el espacio que nos rodea.

De la misma forma que los campos electromagnéticos marcan el camino que la materia ha de seguir con sus líneas de fuerza, los campos gravitatorios también marcan senderos; algunos de ellos pasan por una contracción del espacio, otros obligan a un estiramiento. Cuando un cuerpo se ve arrojado a cualquiera de los caminos posibles, experimentará la misma distorsión que sufre el tejido espacio-temporal por el que está cruzando, pues él mismo es parte de dicho tejido.

Tales distorsiones son las que experimentamos como gravedad. Un ejemplo sencillo de ello lo tenemos en la forma como la Luna provoca las mareas, estirando hacia sí –pleamar— la masa central de agua afectada; y provocando un “encogimiento” –bajamar— en las regiones laterales, donde el tirón es más débil.

Es por esta razón que en el planeta Miller, el primero que visitan los protagonistas de la película, y que está tan próximo al agujero negro Gargantua, las olas son como montañas.

Agujeros negros

Un agujero negro no es materia, sino una región del espacio-tiempo contraída sobre sí misma, una deformación extrema del tejido del universo que gira incesantemente sobre sí. La “superficie” del agujero negro es el horizonte de sucesos, el límite del que nada puede escapar una vez se lo atraviesa, ni siquiera la luz. Por tanto, quienquiera que logre atravesar el horizonte de sucesos de un agujero negro no podrá comunicarse jamás con el exterior.

Su centro es la zona más desfigurada y, en ella, la fuerza de la gravedad es infinita. El tiempo, puesto que es una dimensión más como las tres espaciales, también queda infinitamente deformado.

Hasta el día de hoy, la Teoría de la relatividad y la física cuántica son incompatibles y, sin embargo, existen situaciones en que ambas coinciden, como en los primeros momentos del Big Bang y en el centro de un agujero negro, llamado singularidad. El gran logro de la Ciencia será la Teoría del Todo que trascienda esa oposición y genere satisfactoriamente una “teoría cuántica de la gravedad”; hasta que se logre, lo que ocurre dentro de un agujero negro seguirá siendo terreno del misterio.

Según Thorne, Interstellar es la primera película de Hollywood que muestra correctamente cómo se vería un agujero negro: alrededor de la oscuridad –pues en esa región nada puede mostrarse al exterior— que es el horizonte de sucesos, la luz de las estrellas se curva debido al espacio deformado y en constante rotación, por lo que el observador percibe el paisaje como si lo viera a través de una lente distorsionada.

Los agujeros negros cuentan, además, con un disco de acreción compuesto por nubes estelares cuya materia es absorbida por el tirón gravitatorio, y esta corriente es la responsable, al combinarse con el efecto de lente distorsionada, de las peculiares imágenes de fondo que se muestran cuando el Endurance llega a su destino.

Un agujero negro sólo tiene dos propiedades que lo describen: masa y espín. Gargantua tiene una masa de cien millones de soles, pero se condensa en un radio de “sólo” 150 millones de km, que es el espacio que hay entre el sol y la órbita de la Tierra. Para comprender cuán comprimida está la energía, un agujero negro cuya masa fuese la del Sol tendría únicamente 5 km de diámetro; con la masa de la Tierra, daría para un centímetro y medio. En realidad, el diámetro no es real, sino aparente, pues, como se ha dicho, el espacio dentro del agujero negro está completamente deformado.

Para que en el planeta de Miller una hora equivalga a siete años en la Tierra, Gargantua tiene que tener una velocidad de rotación muy elevada, casi el máximo posible, es decir, casi la velocidad de la luz, algo poco probable pero no imposible, afirma Thorne; la exageración no fue cosa suya, sino de Nolan, que necesitaba esa equivalencia temporal en el guion.

Para contrarrestar la gravedad de Gargantua, cualquier objeto cercano debe valerse de una potente fuerza centrífuga, lo cual exige una alta velocidad. Según las consideraciones de Thorne, Miller debe orbitar al 55% de la velocidad de la luz; la nave Endurance, mientras aguarda desde una órbita más lejana a la expedición que ha descendido a la superficie, al 33%.

Esto significa que debe alcanzar una velocidad de 100.000 km/s. Nótese que se habla de segundo, no de hora. A día de hoy, la tecnología permite alcanzar 15 km/s; pero hay un detalle: el Endurance llega desde la Tierra a Saturno en dos años, lo que significa que su velocidad real es de 20 km/s, algo más razonable para las posibilidades de una NASA de capa caída en el futuro cercano en que transcurre la película.

¿Qué ha pasado entonces para que el Endurance sea capaz de contrarrestar la fuerza de Gargantua y, más allá, para que el vehículo explorador pueda descender al planeta sin ser absorbido por el monstruo cósmico? Sencillamente, se están aprovechando de una maniobra común en astronáutica, la asistencia gravitatoria.

La asistencia gravitatoria consiste en valerse del campo de gravedad de un cuerpo, como un planeta, para ser catapultados hacia el destino deseado; esto es lo que ha permitido los viajes de naves como las Voyager, Mariner, Messenger o Cassini.

En el caso del Endurance y su vehículo explorador, alrededor de los agujeros negros gigantes orbitan otros agujeros negros más pequeños, cuyos tamaños rondan el diámetro de la Tierra. Calculando la dirección correcta, la nave puede maniobrar utilizando la inmensa energía del campo gravitatorio de estos cuerpos, ya sea para salir catapultada, ya sea para frenar.

En la película, sin embargo, Cooper menciona una estrella de neutrones. Thorne se lava las manos sobre esto y asegura que fue decisión de Nolan para no complicarle la vida a los espectadores con otro agujero negro diferente a Gargantua.

Pero Nolan va más allá y decide cometer otro error, aunque esta vez perfectamente inscrito en el argumento para humanizar al personaje de Amelia Brand y obligarla a actuar desde el sentimiento: Amelia defiende su decisión de ir a un planeta lejano porque resulta más seguro que otro próximo a Gargantua.

En realidad, salvo que se dirijan directamente al agujero negro, los objetos que han logrado una órbita en torno al coloso difícilmente llegarán a caer en él, debido a la fuerza centrífuga que les imprime su enorme velocidad de giro.

La conversación posterior descubrirá los verdaderos motivos de Amelia y servirá para mostrar, a quien haya pillado la imprecisión, que la científica estaba mintiendo.

(Continuará)

(TheCult.es)