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Una nueva teoría de la gravedad prescinde de la materia oscura

Como sabe cualquiera que haya abierto una lavadora después del centrifugado, el giro tiende a expulsar las cosas hacia fuera. En la lavadora, son las paredes del tambor las que impiden que la ropa salga volando. Pero las galaxias, que también centrifugan, no tienen tambor; ¿qué es lo que evita que las estrellas salgan volando en todas direcciones?

Lo que mantiene una galaxia unida es la gravedad, que tiende a juntar las masas unas a otras. Es lo mismo que nos mantiene pegados al suelo. El problema es que, cuando los físicos calculan la masa de una galaxia, las cuentas no salen: la gravedad es demasiado baja como para compensar la inercia que tiende a dispersarla. Como conté ayer, la solución por la que se ha optado es suponer que la masa es realmente mucho mayor de lo que se ve, pero el resto es invisible: materia oscura. A más masa, más gravedad, y así todo cuadra.

Representación hipotética de la distribución de materia oscura (nube azul) en la Vía Láctea. Imagen de ESO/L. Calçada vía Wikipedia.

Representación hipotética de la distribución de materia oscura (nube azul) en la Vía Láctea. Imagen de ESO/L. Calçada vía Wikipedia.

Pero algunos físicos piensan que tal vez no sea necesario inventar un tipo de materia de la que hasta ahora no ha podido obtenerse ninguna prueba; que quizá la inercia sea menor de lo que sospechamos, o la gravedad sea mayor. Ayer conté un ejemplo de lo primero, una hipótesis que reduce el valor de la inercia. Otras propuestas se basan en un aumento del valor de la gravedad, asegurando que al menos en ciertos casos no se comporta como sospechamos.

La propuesta más conocida en esta línea fue desarrollada por el israelí Mordehai Milgrom en 1983, y se conoce como Dinámica Newtoniana Modificada, o MOND. En breve, lo que Milgrom propone es que el valor familiar proporcionado por Newton para la gravedad no funciona en escalas extremas, cuando la aceleración es enormemente baja o la distancia al centro de la galaxia es muy grande, como ocurre en las estrellas de la periferia. En estos casos la gravedad sería mayor de lo normal, compensando la inercia que tiende a dispersar la galaxia.

Un resultado similar –una gravedad mayor– se deriva de una nueva teoría propuesta ahora por el holandés Erik Verlinde, de la Universidad de Ámsterdam. Aunque en este caso, el punto de partida es completamente distinto. Verlinde comenzó su carrera bajo la dirección de Gerard ’t Hooft, conocido sobre todo (además de por su Nobel en 1999) como el creador del llamado Principio Holográfico.

El Principio Holográfico es una audaz propuesta según la cual el universo es la proyección de un holograma contenido en una esfera que lo rodea. La idea del holograma es la misma que conocemos de las tarjetas de crédito: una superficie de dos dimensiones que contiene información sobre un objeto tridimensional. Dado que el holograma tiene una dimensión menos que el objeto al que representa, en el caso del universo se trataría de un espacio tridimensional en un área bidimensional; o si añadimos el tiempo, un universo 4D en un espacio 3D, siendo el tiempo una de estas dimensiones.

El Principio Holográfico es una aplicación cosmológica de la Teoría de Cuerdas, un modelo emergente de la física que trata de conciliar la cuántica con la relativística, hasta ahora dos mundos separados. En cuántica no existe la gravedad, el concepto fundamental de la relatividad. En la Teoría de Cuerdas, la materia no está formada por esas bolitas con las que asociamos la imagen de las partículas subatómicas, sino por hilos de una sola dimensión que vibran de diferentes maneras para originar las diferentes clases de partículas. Una de esas partículas originadas por una de las muchas vibraciones posibles es el gravitón, la responsable de la gravedad, por lo que la Teoría de Cuerdas ofrece un modelo de gravedad cuántica que trata de desbrozar el camino hacia eso que habitualmente se conoce como Teoría del Todo.

El Principio Holográfico interesa a muchos físicos porque permite correlacionar dos teorías en principio muy distintas que se diferencian en una dimensión, lo que permite abordar problemas muy complejos en un marco mucho más sencillo. En el caso que nos ocupa, la ventaja es que la gravedad aparece en el universo como consecuencia de la información contenida en ese holograma.

Sin embargo, lo que propone Verlinde es una enmienda al modelo de su maestro: que en realidad el holograma es incompleto. Imaginemos uno de esos cuadros holográficos que se venden en los bazares, y supongamos que una parte de la imagen, por ejemplo la mano de un personaje, no estuviera representada en el holograma, sino que sobresaliera del cuadro como un objeto tridimensional real. Según Verlinde, al menos una parte de la gravedad no está codificada en el holograma, sino que surge intrínsecamente como una propiedad del tejido del espacio-tiempo, del mismo modo que la temperatura aparece como consecuencia del movimiento de las partículas.

En 2010 Verlinde publicó su teoría de la Gravedad Emergente, como se ha dado en llamar. Ahora, en un nuevo estudio la aplica a los movimientos de las estrellas en las galaxias, llegando a un sorprendente resultado: esa gravedad emergente explica la fuerza habitualmente atribuida a la presencia de la materia oscura. Es decir, que la desviación de la gravedad einsteniana en el caso de las grandes escalas se compensa cuando se introduce esa porción extra de gravedad oscura. No hace falta materia extra que no se ve, sino una fuerza extra que no se había calculado.

Tal vez piensen que sustituir la materia oscura por una gravedad oscura es como elegir muerte en lugar de susto. Pero lo cierto es que se trata de encontrar el origen de un balance de fuerzas que evidentemente existe. Ante el continuado fracaso en los intentos de detección de materia oscura, algunos físicos han llegado a sugerir que esta materia se encuentra escondida en otra dimensión, siendo la gravedad la única de las fuerzas fundamentales cuyos efectos son transversales a todas las dimensiones. Y esto no solo explicaría por qué la gravedad de la que tenemos constancia es tan débil (solo tendríamos constancia de una parte de ella), sino que encajaría con el universo de 11 dimensiones propuesto por una variante unificadora de la Teoría de Cuerdas llamada Teoría M. Pero la hipótesis de Verlinde prescinde por completo de la materia oscura, y es probable que algunos defensores de la Teoría de Cuerdas respirarían aliviados con esta solución.

Aún habrá que esperar para comprobar cómo la teoría de Verlinde es recibida por la comunidad física, y qué posibles objeciones plantearán los expertos. Pero como dije ayer, están surgiendo nuevas visiones alternativas que tal vez, solo tal vez, algún día podrían hacernos recordar con una sonrisa los tiempos en que teníamos inmensos, carísimos y complejos detectores buscando un tipo de materia tan invisible como –tal vez, y solo tal vez– inexistente.

“Zarcillos” de galaxias surcan los vacíos del universo

La sede de este diario nuestro, que es el ustedes, se encuentra situada en la segunda planta, portal número 1, calle Condesa de Venadito, Madrid, España, Europa, Tierra, Nuestro Sistema Solar –¿para cuándo un concurso para ponerle nombre?–, Nube Interestelar Local, Burbuja Local, Brazo de Orión, Vía Láctea, Grupo Local de Galaxias, Supercúmulo de Virgo. Entre la primera y la última línea de este domicilio completo saltamos desde unas pocas decenas de metros hasta 110 millones de años luz (unos 1.000 trillones de kilómetros, trillón más, trillón menos), que es el diámetro aproximado del Supercúmulo de Virgo al que pertenecemos y del que no consta que ninguna nación terrícola se haya independizado. Y sin embargo, este supercúmulo es apenas un puntito indistinguible si ampliamos la escala a los supercúmulos locales, e incluso la difícilmente concebible inmensidad de esta magnitud no es más que una diminuta mota en el mapa del universo observable, como se puede apreciar en esta imagen.

Dado que los mapas de Google aún no alcanzan tan lejos, debemos recurrir a herramientas como las recreaciones en vídeo para formarnos una idea sobre nuestra situación en el vecindario cósmico. El año pasado escribí (con seudónimo) un artículo sobre un trabajo en el que un equipo de investigadores del proyecto internacional Cosmic Flows elaboró este espectacular vídeo en 3D de una porción del 1% del universo, un cubo de 380 millones de años luz en torno a la Vía Láctea:

Lo primero que llama la atención en este vídeo, cuando uno ha logrado pestañear y recobrar la respiración, es que el universo no es un pudin uniforme con trocitos de fruta distribuidos de forma homogénea, sino que existe algo denominado estructura a gran escala que los cosmólogos aún están aprendiendo a conocer. Desde el descubrimiento en 1989 de la llamada Gran Muralla, una lámina de galaxias de 500 millones de años luz de largo, 300 millones de ancho y 16 millones de grosor, los científicos han comprendido que los supercúmulos galácticos se agrupan en hojas, muros y filamentos, estructuras separadas entre sí por colosales vacíos poblados por galaxias solitarias. Todo ello integra una textura que recuerda a la de una espuma o, como suele llamarse, una “red cósmica”.

Ahora, una nueva clase de abalorio viene a sumarse a este muestrario de artesanía galáctica. La colaboración internacional que conforma el proyecto Galaxy and Mass Assembly (GAMA), destinado a estudiar la formación y evolución de una muestra que engloba unas 300.000 galaxias, publica un estudio en el que se identifica lo que los científicos han bautizado como tendrils, un término que se traduce como “zarcillos” cuando se refiere a plantas trepadoras como parras o enredaderas. En su estudio, que se publicará próximamente en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, los autores definen estos zarcillos como “finas cadenas de galaxias arraigadas en filamentos y que terminan en filamentos vecinos o en vacíos”. Cada zarcillo contiene una media de seis galaxias y mide unos 45 millones de años luz.

El primer autor del estudio, Mehmet Alpaslan, de la Universidad de St. Andrews (Reino Unido), explica a Ciencias Mixtas que el descubrimiento de los zarcillos fue puramente casual. “Son más un subproducto de un proyecto más grande que emprendí para mi doctorado, que era mapear la estructura a gran escala en el catálogo GAMA”, señala. “El objetivo era tomar los datos de GAMA y utilizarlos para encontrar filamentos y vacíos, y en el proceso detectamos los zarcillos”. Para ver estas estructuras que hasta ahora habían pasado inadvertidas, los científicos han contado con la ventaja de disponer de datos de “alta fidelidad”: “GAMA tiene una densidad muy alta; esto significa que para un área concreta del cielo vemos un montón de objetos, y podemos observar galaxias muy tenues”.

Alpaslan apunta que aún no disponen de estadísticas para analizar la distribución de los zarcillos. Pero dado que se extienden a través de los vacíos, esto tiene una consecuencia inmediata: ¿los vacíos lo son un poco menos, o bien son más pequeños de lo que se creía si los zarcillos los rompen en trozos? “¡Esta es una pregunta peliaguda!”, replica Alpaslan. “Se dice que esto cambia por completo nuestra percepción de los vacíos, pero no estoy del todo de acuerdo. La comunidad de simulaciones había pronosticado subestructuras dentro de los vacíos ya en los años 90, pero esta es la primera observación real de tales subestructuras. Creo que la verdadera implicación de este trabajo y de estas estructuras es que deberemos ser más cuidadosos cuando estudiemos las galaxias situadas en los vacíos, porque podrían no estar tan aisladas como pensábamos”.

El científico vaticina que su trabajo dará mucha faena a la comunidad astrofísica en los próximos años. Por su parte, espera aplicar su hallazgo a los algoritmos matemáticos empleados para buscar vacíos en el universo y ver cuáles son los resultados al introducir los zarcillos. Además, Alpaslan confía en que su descubrimiento ayude a entender la evolución de las galaxias. Mientras, como todos los investigadores que trabajan en el mayor laboratorio que existe, no puede dejar de sorprenderse ante lo que estos humildes y pequeños humanos podemos llegar a conocer. “Simplemente orbitamos en torno a una estrella en un planeta en el que por casualidad hemos evolucionado. Pero nos las hemos arreglado para unirnos en una comunidad internacional de científicos capaces de llegar a entender tantas cosas sobre este gigantesco universo en el que vivimos, y eso es muy inspirativo”.

“La percepción de Grosseteste era asombrosa incluso para un físico moderno”

Richard G. Bower, físico de la Universidad de Durham (Reino Unido)

Richard G. Bower, físico de la Universidad de Durham.

Richard G. Bower, físico de la Universidad de Durham.

Hace unos días comenté en este blog un estudio, aún pendiente de publicación, en el que un equipo multidisciplinar de científicos, lingüistas y medievalistas ha traducido a formulación matemática la teoría cosmológica enunciada en el siglo XIII por Robert Grosseteste. En sus reflexiones este filósofo, científico y clérigo inglés introducía conceptos familiares en la física actual como el origen del universo por una gran explosión y lo que los autores del estudio denominan un rudimentario “multiverso medieval“. El estudio ha despertado tanto interés que ha merecido un comentario hoy en la revista Nature. Su autor principal es el físico de la Universidad de Durham (Reino Unido) Richard Bower.

–¿Cuál es la principal aportación del estudio?

–El objetivo era comprender mejor cómo era el pensamiento científico a principios del siglo XIII. Antes de comenzar con este proyecto, pensaba que durante aquellas edades oscuras se entendía muy poco y que había escaso pensamiento racional y demasiada referencia a las “escrituras”. Al menos en el trabajo científico de Robert Grosseteste, esto no puede estar más lejos de la verdad. A medida que indagamos en su trabajo, encontramos cada vez un conocimiento más profundo del mundo natural. A veces, su percepción era asombrosa incluso para un físico moderno.

–Y el resultado es…

–Nuestra conclusión es que el texto tiene perfecto sentido. El modelo que se describe en latín puede traducirse a matemática moderna y después resolverse con tecnología informática. El resultado final es justo como Grosseteste lo describe, excepto porque nos resulta difícil cuadrar exactamente el número de planetas observados; tenemos que comenzar los cálculos de una manera muy especial. Pero parece que Grosseteste también es consciente de esto, y podemos entender por qué el último párrafo del texto habla de propiedades especiales de los números, una discusión que recuerda mucho al papel de la simetría en la actual física de partículas.

–¿Cuál fue la innovación más relevante de Grosseteste?

Un retrato de Robert Grosseteste del siglo XIII.

Un retrato de Robert Grosseteste del siglo XIII.

–¿Por dónde empiezo? Su trabajo en De Luce no puede calificarse de menos que revolucionario. Su trabajo desarrolla ideas presentadas por Aristóteles desde el 350 a. C. Estas eran nuevas ideas que comenzaron a emerger desde el mundo árabe (como traducciones al latín de textos árabes) y que inspiraron un minirrenacimiento en el pensamiento occidental. Pero la explicación de Grosseteste sobre el universo va mucho más allá de todo lo hecho antes. Aristóteles concluyó que el universo no tenía comienzo ni fin. En cambio, Grosseteste comienza proponiendo una nueva teoría de la materia, y después la desarrolla hacia una explicación de la creación del universo. Trabaja igual que un cosmólogo moderno, proponiendo leyes físicas y después siguiéndolas hasta sus conclusiones. Esto es lo que me parece asombroso.

–¿Es correcto decir que fue el primero en intuir que el universo nació con un Big Bang?

–Debemos ser cautos. Él no imaginó el Big Bang como hoy lo concebimos. Pero sus ideas tienen mucho en común: el universo es inicialmente muy pequeño y después se expande rápidamente. Pero su universo no tiene gravedad y se asume que está centrado en la Tierra (por razones que se comprenden).

–En cuanto a esas razones, ¿cómo fueron aceptadas en su día las teorías de Grosseteste, sobre todo por la Iglesia y dada su condición de clérigo?

–Es una pregunta muy interesante. Hasta donde yo sé, nadie más (que conozcamos) se atrevió a abordar estas cuestiones. Por desgracia casi no disponemos de registros históricos que nos digan lo que sus contemporáneos pensaban de sus ideas. ¡Sospecho que debieron de quedar desconcertados! Recuerde que Aristóteles era un autor pagano. Quizá Grosseteste trataba de reconciliar las ideas de Aristóteles con el “Hágase la luz” del Génesis. Sospecho que detrás de todo ello aún hay una historia mucho mayor por descubrir.

El obispo medieval que descubrió el Big Bang y los universos paralelos

Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, no comprendíamos nada de nada. Desde nuestro punto de vista actual es difícil imaginar lo que debía ser enfrentarse a la desbordante complejidad de la naturaleza, desde la oruga que se transforma en mariposa hasta el titilar de las estrellas en la noche, con poco más equipo científico que el que cabe dentro de la caja craneal. Una de las citas más oídas en ciencia (dejando aparte la famosa navajita de Guillermo de Ockham, a la que daremos estopa en otra ocasión) fue enunciada en primera instancia por el filósofo francés Bernard de Chartres, y venía a decir que el conocimiento avanza a hombros de gigantes. Aristóteles fue uno de esos gigantes, pero aún apenas tenía hombros a los que subirse, y por eso no se le puede reprochar la creencia de que el rocío era de donde nacían los insectos.

Imagen de Robert Grosseteste en una vidriera en la iglesia de San Pablo, Morton (Reino Unido).

Imagen de Robert Grosseteste en una vidriera en la iglesia de San Pablo, Morton (Reino Unido).

Obra de Aristóteles fue la teoría cosmológica más perdurable de la historia de la Tierra. Durante más de 18 siglos, sus 55 esferas celestiales y su ingenua idea sobre la tierra, el fuego, el aire y el agua fueron lo más parecido que los humanos tuvimos a una manera de explicar el universo. Aún 1.500 años después de que Aristóteles fuera enterrado, un clérigo inglés llamado Robert Grosseteste (circa 1170-1253) se aupó a los hombros del griego para ver más allá. Y lo que vio hace que visionarios como Verne, Clarke o Wells queden reducidos a la categoría de patéticos miopes: el Big Bang, los universos paralelos o la conservación de la materia. Todo ello en el siglo XIII.

Grosseteste, que con el tiempo llegaría a ser nombrado obispo de Lincoln (Reino Unido), escribió en 1225 un tratado científico sobre la luz titulado De luce. En él proponía que el universo se originó por una gran explosión, una posterior condensación y una expansión que fue reduciendo la densidad del cosmos hasta un nivel mínimo. La intuición de Grosseteste es sin duda sorprendente. Pero lo que resulta por completo abracadabrante viene ahora.

Un equipo multidisciplinar de científicos, lingüistas y medievalistas de Reino Unido, Italia y Estados Unidos, encabezado por el físico de la Universidad británica de Durham Richard G. Bower, ha sometido la teoría de Grosseteste a formulaciones matemáticas que por entonces no estaban a su alcance. “Nos proponemos escribir las ecuaciones como él habría hecho de haber tenido acceso a la matemática moderna y a la técnica computacional, resolverlas numéricamente y explorar las soluciones”, escriben los investigadores. En otras palabras, los científicos han traducido el latín de Grosseteste a un modelo matemático para dilucidar si todo aquello tenía algún fundamento o si era una ensoñación alucinatoria comparable al viaje a la Luna de Cyrano.

Y pásmense: funciona. “Expresamos el modelo de Grosseteste sobre cómo la luz interacciona con la materia en términos de matemática moderna y mostramos que realmente puede generar la estructura del universo que él proponía”, escriben los investigadores en su estudio, publicado en arXiv.org. Según Bower y sus colaboradores, el acierto de Grosseteste radica en su manera de comprender la luz y su interacción con la materia. “La originalidad de Grosseteste fue pensar que la luz, sus propiedades y el mecanismo por el que la percibimos son causantes de la unidad, el orden y la explicación causal de los fenómenos naturales”. “Mediante su expansión en todas direcciones, la luz introduce las tres dimensiones en la materia”. A lo largo de este proceso, Grosseteste introduce un nuevo concepto desconocido hasta entonces: “A medida que la luz arrastra la materia hacia fuera, la densidad debe disminuir al tiempo que el radio crece, implícitamente postulando la conservación de la materia”.

Siguiendo la doctrina aristotélica, Grosseteste propuso una estructura del universo formada por un conjunto de esferas. Los investigadores se preguntan si su idea se correspondía con un multiverso tal como hoy lo entendemos: “Un concepto familiar en la cosmología moderna es considerar el universo en el que vivimos como solo uno de muchos posibles, cada uno difiriendo en el valor de sus parámetros fundamentales”. “¿Hasta qué punto contemplaba la posibilidad de diferentes universos? Si lo hacía, ¿imaginaba su existencia como equivalente a aquel en el que él habitaba?” Según los autores, esta noción chocaba con la cosmología bíblica en una época en la que ciencia, filosofía y teología eran indistinguibles; pero, pese a ello, los investigadores encuentran muy revelador el paralelismo entre las teorías cosmológicas contemporáneas y el pensamiento de Grosseteste en lo referente a su comportamiento en las tripas de los modelos matemáticos.

El resultado del modelo matemático: las nueve esferas del multiverso de Grosseteste. Bower et al.

El resultado del modelo matemático: las nueve esferas del multiverso de Grosseteste. Bower et al.

Un modelo matemático es algo parecido a una Thermomix. Se introduce un puñado de ingredientes, se selecciona el programa y se obtiene un resultado. Si los ingredientes o el programa varían, el resultado cambia. Seleccionando las condiciones iniciales adecuadas, la Thermomix de Bower y sus colaboradores es capaz de cocinar el universo de Grosseteste: “En este multiverso medieval, solo un estrecho rango de perfiles de opacidad y densidades iniciales conduce a un universo estable con nueve esferas perfectas. Como en el actual pensamiento cosmológico, la existencia del universo de Grosseteste reside en una combinación muy especial de parámetros fundamentales”.

Los investigadores destacan precisamente esto último como la mayor aportación de Grosseteste, un autor cuyo legado pervive en la pequeña Universidad inglesa que lleva su nombre, y en la que nació una estrafalaria iniciativa destinada a conseguir su canonización por parte del Vaticano. Estrafalaria, no solo porque a Grosseteste se le asocia con los movimientos contra el papado que llevarían al cisma anglicano, sino porque además cuenta la leyenda que, después de muerto, su fantasma se apareció al Papa Inocencio IV, al que arreó con su báculo como castigo por la corrupción de su pontificado. Anécdotas aparte, el nuevo estudio reafirma a Grosseteste por su genio científico. “La metodología de Robert Grosseteste fue tan revolucionaria que algunos académicos del siglo XX le reivindicaron como el primer científico moderno y el antecesor del método científico”, concluyen los autores.