Las leyes de la física y los viajes en el tiempo

Nuestro amigo y homenajeado Carl Sagan, magnífico compañero y científico, además de comunicador excepcional, también posee dotes de novelista, como bien sabrá quien haya leído su obra Contacto (Sagan, 1985). No obstante, lo inusual y tal vez único es que una novela de ciencia-ficción como Contacto proponga una dirección nueva e importante a la investigación científica. Pero, bueno, Carl es una persona única. En esta ocasión describiré el modo en que Carl, a través de Contacto, incitó a una comunidad de físicos teóricos a estudiar algunas deformaciones extremas del espacio-tiempo que hasta entonces se habían obviado por completo, y expondré las nuevas revelaciones que están aportando dichos estudios acerca de la naturaleza del espacio y del tiempo.

Todo comenzó unos nueve años atrás con una llamada telefónica de Carl. Dijo: "Acabo de terminar una novela sobre el primer contacto humano con una civilización extraterrestre y quisiera estar seguro de que he tratado con acierto todo lo relacionado con la relatividad general". El hecho de estar seguro, completamente seguro, es característico de Carl.

Así fue como me envió el manuscrito de su novela, una historia fascinante en la que la protagonista, Eleanor Arroway, viaja a través de un agujero negro (una variedad extrema de deformación espacial) hasta alcanzar el centro de la galaxia, pasa un día allí y luego, atravesando algún tipo de curvatura temporal, regresa a la Tierra en el mismo instante en que se marchó. Aquello planteaba todo un desafío: ¿era posible convertir aquella historia en respetable desde un punto de vista científico? Más tarde se vio que no le costaría ganarse el respeto de la ciencia. Carl previó muchas cosas, a pesar de no ser experto en la relatividad general de Einstein, una teoría que trata sobre la gravedad y las deformaciones del espacio-tiempo.

En la actualidad, la tecnología para manipular las deformaciones del espacio-tiempo del modo en que Carl las concibió queda tan lejos de nuestras posibilidades como lejanos quedaban los viajes espaciales de los neandertales. Por supuesto, Carl era consciente de ello, así que en su novela hizo que una civilización con un grado de progreso extremo pusiera tal tecnología en nuestras manos a través de un largo mensaje de radio que es recibido y decodificado por Eleanor Arroway.

En realidad, no puedo predecir lo que una civilización extremadamente desarrollada será capaz de crear o de enseñarnos a crear. Pero puedo preguntarme qué hechos concuerdan con las leyes fundamentales de la física. Supongamos que la civilización ideada por Carl cuenta con un grado infinito de desarrollo. Supongamos que sus únicas limitaciones consisten en aquello que contradice las leyes fundamentales de la física y en nada más. En tal caso, ¿se podrían crear y manipular tales deformaciones espaciotemporales?

En cuanto empecé a plantearme esta pregunta, me pareció obvio que proporciona por sí misma una vía contundente para explorar las leyes fundamentales de la física. La cuestión no es qué sucede en la naturaleza o qué somos capaces de hacer los humanos, sino qué limitaciones imponen las leyes fundamentales de la física a una civilización infinitamente avanzada.

Existe un precedente de preguntas semejantes a la anterior. A comienzos del siglo XX, mientras Albert Einstein desarrollaba su teoría de la relatividad gene-ral, los humanos tenían escasas posibilidades de medir las deformaciones del espacio-tiempo que sirven de base a aquella teoría. Las comprobaciones reales, cuantitativas, de la misma sólo resultaron posibles en la década de los setenta, más de cincuenta años después de que aquel hombre formulara su teoría, lo cual significa que no tuvo oportunidad de guiarse por experimentos prácticos. En su lugar empleó experimentos mentales, experimentos en los que se imaginó haciendo cosas tales como saltar dentro de un rayo luminoso y cabalgar sobre él hasta casi alcanzar la velocidad de la luz, lo cual, en la práctica, está vetado a nuestra insignificante tecnología. Meditando experimentos hipotéticos semejantes y calculando sus consecuencias de acuerdo con lo que dictaminan las leyes de la física, Einstein accedió a las leyes fundamentales, accedió a revelaciones que lo guiaron en el desarrollo de su teoría de la relatividad.

De manera parecida, hoy, al intentar ir más allá de la teoría de la relatividad general, al tratar de comprender cómo se comporta la gravedad en el centro de los agujeros negros o en la singularidad de la gran explosión que inició el universo, los físicos penetramos en terrenos que no permiten los experimentos prácticos y, por tanto, recurrimos a experimentos mentales. Pero nos hemos alejado despavoridos de lo que tal vez constituya la variante más poderosa de todos los experimentos mentales, eso que en mi círculo se conoce como pregunta de tipo saganiano.

Este tipo de experimentos mentales plantea las restricciones que imponen las leyes de la física a una civilización infinitamente avanzada. Tales interrogantes no se habrían formulado hasta ahora porque su extraordinario parecido con la ciencia-ficción los volvía un tanto indignos a los ojos de la juiciosa comunidad científica. En cambio, ahora reparamos en que, al interrogarnos sobre la capacidad de acción que posee una civilización de desarrollo infinito, nos estamos preguntando con gran hondura acerca de las leyes fundamentales de la física. De esta manera, provocados por el reto que me propuso Carl, empezamos a plantearnos preguntas de tipo saganiano.

Dediquemos unas pocas palabras a las leyes físicas que hemos intentado explorar siguiendo este método.

Durante el siglo XX se han producido dos revoluciones que nos han dotado de dos nuevos conjuntos de leyes físicas: la teoría de la relatividad general de Einstein de 1915, la cual nos reveló que el espacio-tiempo puede deformarse en presencia de concentraciones densas de materia y energía, y que parte de dichas deformaciones se manifiesta en forma de gravedad; y las leyes de la mecánica cuántica y de los campos cuánticos, surgidas durante las décadas de 1920 y 1930, por las que se rigen los átomos, las moléculas, las partículas luminosas (fotones) y otras entidades de tamaño minúsculo.

En el medio siglo que ha transcurrido desde aquellas revoluciones se ha hecho evidente que más allá de la relatividad general y de la mecánica cuántica tiene que subyacer un conjunto de leyes comunes a ambas teorías. Es ahí, en esas leyes comunes, donde las deformaciones del espacio-tiempo, que rigen los objetos de gran tamaño, deben converger con la mecánica cuántica, que gobierna los objetos diminutos. Las curvaturas del espacio-tiempo y la mecánica cuántica deben unirse para formar un nuevo grupo de leyes denominadas gravedad cuántica, que deberán regir los procesos que tienen lugar en el centro de los agujeros negros y en la singularidad de la gran explosión en la que nació nuestro universo. Los físicos teóricos han luchado desde los años cincuenta por descubrir la naturaleza verdadera de tales leyes de la gravedad cuántica, pero el esfuerzo ha resultado frustrante, puesto que sólo ha proporcionado fugaces ráfagas ocasionales de éxito.

No obstante, un grupo de teóricos (entre ellos, Leonard Parker, Bryce DeWitt, Stephen Hawking y Robert Wald) consiguieron un triunfo parcial hacia 1975 al formular un enlace en el que el campo electromagnético, el campo de neutrinos y otros campos responden por completo a la mecánica cuántica y habitan además en el espacio-tiempo curvado de Einstein.

Lástima que las subsiguientes leyes de los campos cuánticos en el espacio-tiempo curvado continúen considerando como clásico, y no como mecánico-cuántico, el espacio-tiempo en sí mismo. Los campos en sí mantienen un comportamiento probabilístico propio de la mecánica cuántica, pero el espacio-tiempo no es probabilístico en absoluto; posee una forma y configuración muy definidas. Y por consiguiente, las leyes completas de la gravedad cuántica continúan sin resolverse.

Como explicaré más adelante, durante los últimos años hemos recurrido a las preguntas de tipo saganiano con la intención de sondear todo el rango de las leyes relacionadas con la curvatura del espacio-tiempo: la relatividad general (de la que tenemos muy buen conocimiento), las leyes de los campos cuánticos en el espacio-tiempo curvado (cuya comprensión es un tanto buena, pero no completa) y las leyes de la gravedad cuántica (que aún se nos escapan casi del todo).

En su novela, Carl hacía que la protagonista viajara a través de un agujero negro. Un agujero negro constituye una variedad extrema de curvatura del espacio-tiempo. Se trata de un objeto que no está formado por materia, sino por una curvatura del espacio y otra del tiempo. Es el análogo tridimensional de lo que muestra la figura en dos dimensiones.

Imaginemos que habitamos un universo bidimensional y que, por tanto, somos como hormigas capaces de desplazarse alrededor de la superficie que muestra la figura, la cual representa todo nuestro universo. Pero, claro, somos hormigas ciegas, así que no podemos mirar a un lado y al otro de la superficie y apreciar que ésta se encuentra inmersa en un espacio tridimensional. No obstante, desplazándonos por la superficie podemos medir el perímetro de un círculo para deducir su diámetro a partir de él, y descubrir entonces que el diámetro es mucho mayor que la circunferencia dividida entre pi; comprobaríamos así que el espacio de nuestro universo está curvado.