En b¨²squeda de la coherencia en el cosmos

Imaginen dos pianistas separados unos 680 metros que tocan una misma tecla durante un instante, exactamente a la vez, y lo van repitiendo cada segundo. Una tercera persona, una oyente, que est¨¦ cerca de uno de los pianos, oir¨¢ un primer acorde poco despu¨¦s de que un m¨²sico pulse la tecla. M¨¢s tarde oir¨¢ el sonido del otro piano, porque el sonido del piano m¨¢s lejano tarda un poco m¨¢s en llegar a sus o¨ªdos.

Imaginen que la oyente se va moviendo hasta que reciba exactamente a la vez el sonido de los 2 pianos, algo que notar¨¢ porque oir¨¢ una sola nota simult¨¢nea, con m¨¢s intensidad. Si la oyente fuera capaz de medir con precisi¨®n ese cambio de intensidad y simultaneidad, se podr¨ªa ubicar en alg¨²n punto donde ambas se har¨ªan m¨¢ximas. En ese momento podr¨ªa afirmar que est¨¢ a la misma distancia de los 2 pianos. Por ejemplo, podr¨ªa estar a 340 metros de cada uno, con el sonido de cada piano tardando un segundo en llegar a ella (contando con una velocidad del sonido en el aire de 340 metros por segundo).

Entendido esto, a partir de aqu¨ª es f¨¢cil identificar diferentes posibilidades. Una oyente a m¨¢s distancia, pero la misma, de cada m¨²sico seguir¨ªa oyendo los dos sonidos simult¨¢neamente, aunque habr¨ªan tardado m¨¢s en llegar a ella y se oir¨ªan m¨¢s bajo. Otra oyente podr¨ªa estar al doble de distancia de un piano que de otro (o triple, cu¨¢druple, etc¡­) y oir¨ªa un sonido con mayor intensidad pero que no se originaron en el mismo instante, sino uno antes y otro despu¨¦s.

En f¨ªsica, se dice que la uni¨®n de esos dos sonidos repetitivos, que son una onda en interferencia, tiene m¨¢xima coherencia cuando coinciden exactamente las ondas y se unen de un modo que denominamos constructivo. El oyente recibe los dos sonidos a la vez, y decimos que las ondas recibidas est¨¢n en fase.

Un solo oyente no puede distinguir, salvo que sepa la potencia original de cada piano y pueda medir la que recibe, si est¨¢ a igual distancia de cada m¨²sico o una distancia que es un m¨²ltiplo entero de la otra. Pero si tuvi¨¦ramos varios oyentes repartidos por todos lados y entre ellos pudieran hablar y conocer exactamente cu¨¢ndo cada uno recibe los dos sonidos y la coherencia que tienen, entonces podr¨ªamos determinar exactamente la posici¨®n de los pianos. Cuanto m¨¢s oyentes, m¨¢s preciso ser¨ªa el posicionamiento. Cuanto m¨¢s separados est¨¦n los oyentes, mejor, porque si est¨¢n muy cerca m¨¢s o menos oyen lo mismo al mismo tiempo y no hay mucha informaci¨®n extra.

Imaginen ya no dos pianos sino orquestas enteras en dos puntos diferentes, tocando m¨²ltiples notas cada una, incluso diferentes. Estudiando la coherencia del sonido en muchos puntos se puede determinar la posici¨®n de todos los instrumentos. Para ello los oyentes deben estar perfectamente sincronizados, deben tener una referencia de tiempo com¨²n muy precisa y deben poder comparar sonidos y tiempos de la manera m¨¢s perfecta posible.

Esta secci¨®n va de astrof¨ªsica, as¨ª que demos el salto c¨®smico. Los m¨²sicos podr¨ªan ser diferentes componentes de una galaxia lejana, por ejemplo un agujero negro supermasivo que provoca la expulsi¨®n de chorros de materia a velocidades cercanas a la de la luz. Esos chorros de materia suelen contener gran cantidad de electrones, que se frenan y emiten ondas. No ser¨ªan ondas formadas por la vibraci¨®n de las mol¨¦culas del aire ni por el pulso que provoca el tocar la tecla del piano con una frecuencia de una vez cada segundo, sino que los electrones provocan una variaci¨®n peri¨®dica del campo electromagn¨¦tico, con frecuencias t¨ªpicamente del orden de decenas o centenares de miles de millones de veces por segundo. Ser¨ªan lo que se llama ondas electromagn¨¦ticas, luz en lenguaje m¨¢s com¨²n.

Los oyentes ser¨ªan astr¨®nomos con m¨²ltiples telescopios observando el astro de manera simult¨¢nea. Imaginen que un telescopio en Granada y otro en Haw¨¢i observan esa galaxia lejana. Los telescopios deber¨ªan estar conectados y tener una sincronizaci¨®n extremadamente precisa. Si consideramos la luz como part¨ªculas, y nos llega luz a los 2 telescopios al mismo tiempo (o casi, un observatorio estar¨¢ m¨¢s cerca de la galaxia que el otro), podemos considerar que a Granada lleg¨® un fot¨®n y Haw¨¢i otro independiente. Pero podemos considerar la luz como una ¨²nica onda, entonces tendr¨ªamos que interpretar que lo que llega a Haw¨¢i y Granada es el mismo fot¨®n (igual que dos oyentes oir¨ªan la misma nota), y utilizar la detecci¨®n por parte de dos telescopios para conocer m¨¢s sobre c¨®mo y d¨®nde se cre¨®.

Ser¨ªa cuesti¨®n de estudiar la coherencia de las ondas que llegan a cada telescopio, con un aparato que se llama correlador, que compara se?ales de cada observatorio, cada radiotelescopio ser¨ªa, para buscar esa coherencia que d¨¦ informaci¨®n espacial del astro que estamos observando. Ser¨ªan telescopios que se dice que hacen interferometr¨ªa de ondas electromagn¨¦ticas. Los correladores deben comparar del orden de miles de ondas electromagn¨¦ticas (cada una bastante compleja, nada de un solo pulso como en nuestra analog¨ªa de los pianos) cientos o miles de millones de veces por segundo; la potencia de computaci¨®n necesaria (y los trucos matem¨¢ticos y tecnol¨®gicos) son considerables.

Los radiotelescopios interferom¨¦tricos, siendo telescopios relativamente peque?os pero en gran n¨²mero y separados una determinada distancia (pero sincronizados) nos permiten llegar a obtener informaci¨®n, sobre todo espacial, equivalente a tener un telescopio gigantesco, de hasta miles de kil¨®metros. Cuantos m¨¢s telescopios observen a la vez y cuanto m¨¢s lejos est¨¦n entre s¨ª (?quiz¨¢s en la Luna en alg¨²n momento!), mayor precisi¨®n. Como en el ejemplo de los pianos.

La interferometr¨ªa ha permitido medir el radio de una estrella como Betelgeuse, hace un siglo. La interferometr¨ªa tambi¨¦n ha logrado, m¨¢s recientemente, el espectacular logro de proporcionar im¨¢genes de los agujeros negros supermasivos, el del n¨²cleo de la galaxia M87 y de nuestra V¨ªa L¨¢ctea, m¨¢s en concreto del material que los rodea y de c¨®mo los campos magn¨¦ticos creados en torno al horizonte de sucesos rigen las ¨®rbitas de ese material. Y la interferometr¨ªa de ondas electromagn¨¦ticas (creadas por l¨¢seres potentes) es la base de los telescopios de ondas gravitatorias y de su detecci¨®n por primera vez en 2015, lo que ha abierto una nueva ventana para la exploraci¨®n del cosmos.

Todo esto (y m¨¢s, la interferometr¨ªa se usa en biolog¨ªa, medicina,...) se lo debemos a entender mejor la naturaleza de la luz, al avance en ciencia b¨¢sica en b¨²squeda del conocimiento sobre los fundamentos (f¨ªsicos) de la realidad. Hoy no podemos decantarnos por si la luz es un conjunto de part¨ªculas indivisibles (?sin masa!) como las de Dem¨®crito, Newton o Einstein, u ondas como nos dijeron Descartes, Huygens y, finalmente y de manera mucho m¨¢s detallada, Louis de Broglie, 100 a?os de eso se cumplir¨¢n el a?o que viene. Tambi¨¦n se lo debemos a la coherencia, algo tan en desuso en la sociedad, y que incluso la luz puede tener. Aunque tampoco hay que idolatrarla, realmente da mucha informaci¨®n del universo (y las personas).

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico, sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de un ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, y Eva Villaver, profesora de investigaci¨®n en el Instituto de Astrof¨ªsica de Canarias.

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