Una breve explicación de la física de “Interstellar”

Una breve explicación de la física de “Interstellar”

Una breve explicación de la física de “Interstellar” 1600 1066 user
Matthew McConaughey siendo un space cowboy

A los que son físicos, esto es una versión súper simplificada y por supuesto hay un montón de huecos que explican otras cosas, si gustan agregar algo positivo, adelante. Si no, por favor no empiecen de haters.

Hay películas de Hollywood, sobre todo las de ciencia ficción y las de acción, que les encanta pasarse la física por el arco del triunfo. Otras han servido para educar a la población respecto a la gente trabajando en la ciencia o los descubrimientos importantes. En el caso de Interstellar, dirigida por Christopher Nolan –que previamente nos había volado los sesos con Inception–, hay tanta física de los últimos siglos que puede causar tanto asombro como confusión al espectador promedio. El equipo del filme fue asesorado por Kip Thorne, premio Nobel de física 2017 por su trabajo en ondas gravitacionales, así que por muy lejos de la realidad que parezcan los sucesos del argumento, está fundamentado en lo que sabemos de física teórica.

De las cosas que más llama la atención en la película, es cuando Joseph Cooper va a ver a su hija en el hospital intergaláctico y ella es más vieja que él. Esto se llama la paradoja de los gemelos y es de los ejercicios de pensamiento clásicos de la teoría especial de la relatividad. Las tesis básicas de dicho trabajo de Einstein son:

  1. Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores sin importar su cuadro de referencia.
  2. La velocidad de la luz en el vacío es la misma sin importar las características de su movimiento.

Cuando aceleras a una velocidad cercana a la de la luz (que en realidad es una parte de algo más grande, llamado el espectro electromagnético), el tiempo pasa más lento para ti respecto a un observador externo –en este caso, los habitantes de la Tierra– porque la velocidad de la luz es constante en todo el universo y nada puede ir más rápido que ella (299, 792, 458 m/s, o sea, súper rápido). Un segundo es 1/c, siendo c la velocidad de la luz. Si voy a –digamos– 298,000,000 m/s, la luz tiene que seguir yendo a 299,792,458 m/s. La única manera de que eso pase es que el espacio se haga más pequeño –porque se curva o se dobla, lo cual conocemos como gravedad– o el tiempo se haga más lento, ya que el espacio y el tiempo son dos dimensiones de la misma cosa y es lo que introdujo Einstein en la teoría general de la relatividad. Los hoyos negros son objetos con tanta masa –y por ende tanta gravedad, porque su masa dobla el espacio-tiempo– que ni la luz se puede escapar de ellos. Cuando se acercan al hoyo negro, la gravedad (la curvatura del espacio a su alrededor) es tal que los acelera a una velocidad de esa magnitud (piensa en que están en un trampolín y alguien muy gordo salta justo en medio y toda la tela se dobla hacia el centro). Aunque dentro de la nave el tiempo se siente igual, en la Tierra están transcurriendo un montón de años porque la Tierra no dobla tanto el espacio como el hoyo negro, ni vamos tan rápido como iría la nave. Recuerda que velocidad es igual a espacio recorrido sobre tiempo recorrido y describe un aspecto del movimiento, que es donde Newton falla y por qué Einstein es tan importante. Para Newton el espacio y el tiempo eran constantes y cosas separadas, para Einstein son dos caras de lo mismo y viajar sobre él es como nadar en una piscina que se hace más chica entre más rápido nadas.

El cono de la relatividad especial. Mi cono favorito después del de helado de vainilla de McDonald’s.

El universo tiene una estructura llamada tesseract que es el equivalente a un cubo, pero en 4 dimensiones. Según la teoría de cuerdas, el universo tiene 9 dimensiones. Nuestro cerebro está diseñado para vivir en 4: ancho, alto, profundidad y tiempo. Los ojos humanos sólo pueden ver y comprender el rango de radiación electromagnética (luz) que va de los 400 a 750 THz o nanómetros (el espacio y el tiempo son lo mismo, de ahí la relación entre nanómetros en el espacio y hertz en el tiempo). Eso es alrededor del 4% del universo. Es decir, somos prácticamente ciegos respecto a todo lo que hay en el universo.

El espectro electromagnético, del que la luz visible es una pequeña parte

Los theya los que se refieren en la película son seres que viven en 5 dimensiones, es decir, las 4 nuestras más una. Así como nosotros podemos mover cosas en las 3 dimensiones que “dominamos”, ellos pueden mover cosas en la cuarta, por lo tanto, el tiempo. Un caracol plano, no podría entender nuestro mundo tetradimensional, pero nosotros sí el suyo. Eso es lo que pasa entre nosotros y los seres pentadimensionales de la película. Lo que sucede en la película, que obedece casi todas las leyes de la física, es que los seres pentadimensionales los observan y crean estructuras tetradimensionales para los astronautas. Así como nosotros construimos torres de concreto en 3 dimensiones, ellos pueden construir “torres de tiempo” en 4 y meten a Cooper ahí para que pueda moverse por el tiempo y comunicarse con su hija.

Representación 2-dimensional de un tesseract

En el universo hay 4 fuerzas fundamentales que se comportan como onda (como las olas del mar) y partícula (como una bola de boliche) al mismo tiempo. Cada fuerza actúa como un campo (onda), pero su energía es mediada por una partícula llamada bosón. El campo electromagnético es mediado por el fotón y son los rayos x, gamma, microondas, radio, tv, infrarrojo, ultravioleta y luz visible, dependiendo de su frecuencia (cuántas onditas por segundo) o longitud de onda (cuánto mide cada ondita de ancho). A mayor frecuencia (más onditas en menos tiempo), menor longitud de onda (tienen que ser más chicas para caber en el mismo tiempo). La fuerza nuclear fuerte es mediada por el gluón y es lo que mantiene a los protones unidos en el núcleo aunque por ser positivos electricamente deberían repelerse. Es ciencia popular que polos opuestos se atraen e iguales se repelen. La fuerza nuclear débil, que median los bosones W y Z, se encarga de convertir un tipo de partículas en otras. Por ende, produce la radioactividad (la emisión de energía en forma de onda por una partícula). Ninguna de éstas puede atravesar las dimensiones porque necesita partículas para funcionar, por lo tanto no se podría haber comunicado con la hija vía radio, tv, o lanzándole un avioncito de papel o cualquier medio material porque todo eso son partículas. Eso también quiere decir que no podría ver a la hija, pero le damos chance porque es una película.

El modelo estándar de partículas elementales

La gravedad, en cambio, es una curvatura del espacio-tiempo (nuestras 4 dimensiones) causada por la masa de los objetos. Por lo tanto, puede atravesar las dimensiones porque no es materia (las ondas gravitacionales de las que habla Kip Thorne). Sabemos que todos los cuerpos obtienen menos del 2% de su masa de la interacción con el campo de Higgs, que cubre todo el universo aunque no lo veas (de ahí que le llaman la partícula de Dios). Naturalmente todas las partículas viajan a la velocidad de la luz y es la interacción con el campo de Higgs lo que reduce su velocidad y nos permite estar sentados leyendo Medium en lugar de flotar por ahí a la velocidad de la luz. La luz (fotones) viaja a esa velocidad porque no interactúa con el campo de Higgs. Aunque 2% suena poco, es sumamente importante porque le da su masa a los quarks, que son las partículas que componen los protones y neutrones; y a los electrones, que no están hechos de quarks, sino que son partículas elementales por sí mismos. El resto de la masa viene de la velocidad de los quarks.

Hay tres familias de quarks, que se componen a su vez por dos quarks de carga eléctrica opuesta. La materia tal como la conocemos está hecha de la primera familia: los quarks up (carga +2/3) y down (carga -1/3). Las otras familias son los quarks charm y strange; y top y bottom. Estos tienen mucha masa y son inestables, por lo que ocurren en lugares con alta energía, como las estrellas. Los protones están hechos de dos quarks up y un down y por eso son positivos (porque 2/3 + 2/3 = 4/3–1/3 = 3/3 = +1). Los neutrones están hechos de un quark up y dos downs, por eso son neutros (-1/3–1/3 = -2/3 + 2/3 = 0). Los electrones también tienen su gemelo, que se llama electron neutrino. También hay otras dos familias como los electrones, los tau y tau neutrino y los mu y mu neutrino. Al igual que charm, strange, top y bottom; suelen ocurrir en las estrellas.

Todo esto que acabo de explicar compone la teoría con la que explicamos el universo, una fórmula conocida como el modelo estándar. Las tres familias de quarks y las tres familias de electrones –que se conocen como leptones– son los fermiones (por Enrico Fermi) y componen la materia. Los bosones (fotón, gluón, W y Z) median la energía. La parte más bonita del universo para mí es que toda la energía se convierte en materia y toda la materia en energía, es decir, todo es uno y dos caras de lo mismo. Eso pasa gracias al bosón de Higgs y por eso todos los físicos estaban tan emocionados cuando lo observaron por primera vez en 2012.

¿Por qué es tan importante el bosón de Higgs y qué tiene que ver con la película? Bueno, un humano en 3 dimensiones jamás podría tener tanta masa (aunque fuera el más gordo del mundo) como para mover un libro a través de una pared. ¿Cómo pudo hacerlo entonces e incluso llegar hasta la manecilla del reloj? Ahí entra la fórmula más padre y famosa del mundo E = mc².

Dijimos que el 2% de la masa viene del campo de Higgs, mediado por el bosón de Higgs. Acuérdense, cada partícula de energía siempre viene con su campo de onditas. ¿De dónde viene el otro 98% de la gordura del átomo? De la energía cinética (K), es decir, la energía que proviene del movimiento. Dentro de los protones, los quarks se mantienen girando como locos, porque ya dijimos que todas las partículas naturalmente viajan a la velocidad de la luz y los quarks interactúan con el campo de Higgs poquito, por lo tanto siguen siendo muy rápidos. No salen volando en línea recta por las interacciones eléctricas entre ellos y la fuerza nuclear fuerte entre protones y neutrones. Sin ese girar en círculo formando lo que conocemos como protón o neutrón (o bariones, que es su clase), el universo sería un montón de bolitas de energía y cero materia. Y no estaríamos aquí para ver fotos de gatos en internet. Y tampoco habría gatos. Ni internet. Ni nosotros. Ni la Tierra. Ni nada. Otra razón por la que al bosón de Higgs le apodan la partícula de Dios.

El plasma quark-gluon, una especie de sopa de materia-energía de donde salió el universo

Ahora sí, la parte más mainstream de la noche: E = mc². Como todo en la escuela no lo dan masticado y digerido en la boquita, cabría esperarse que la fórmula no esté completa. La fórmula real es E = √((mc²) ^ 2) + ((pc)²), ¿les suena familiar? ES EL TEOREMA DE PITÁGORAS. Cada vez que me acuerdo de esto digo NOMAMESNOMAMESNOMAMES, los griegos descubrieron esto hace cientos de años y sigue estando por todas partes. No voy a explicar pc² porque me aviento un kilómetro de publicación, pero es algo llamado la norma euclidiana, es decir todo el momentum que tiene la partícula. Recordemos que el momentum es una manera de explicar el movimiento y su fórmula es p = mv. En el caso de los fotones, la fórmula se reduce a E = pc porque ya dijimos que su masa es 0 por fresas y como p = mv, pues p = 0 * c y no importan los números porque igual da 0 y por lo tanto E = c, es decir, la energía es igual a la velocidad de la luz y es por eso que la luz infrarroja nos da calor y los microondas calientan nuestro chocolatito. La temperatura es la energía contenida en un cuerpo y al bombardear leche con energía, aumenta la entropía dentro del sistema (las partículas de la leche se vuelven locas) y se calienta. Y no mames, MAGIA.

La verdad es alucinante como en el universo todo son diferentes perspectivas de lo mismo

¿Por qué nada puede ir a la velocidad de la luz si tiene masa? Bueno, pues porque la fórmula es UN TRIÁNGULO RECTÁNGULO. Y la hipotenusa es más larga que cualquiera de los dos catetos. (mc²) es la hipotenusa. La única manera de que E = c es que no haya masa porque mientras haya masa, siempre tiene que ser más grande que los catetos y pongamos lo que pongamos en la fórmula, la hipotenusa no puede ser 0 porque bueno… si no no habría triángulo.

Y bueno, ya para acabar, volvamos a la masa de los átomos. Gracias al bosón de Higgs los quarks tienen masa. Y gracias a que tienen masa podemos aplicar E = mc² para calcular su energía, recordemos que E = energía cinética (movimiento) + energía potencial (gravedad) + temperatura (energía almacenada). Por lo tanto los quarks tienen energía gracias a que tienen masa gracias al campo de Higgs y ganan más masa gracias a su energía. Y esto es súper cool.

Entonces en la película, Cooper tiene muchísima velocidad y está curvando el tiempo-espacio súper intenso y ya dijimos que eso es lo que llamamos gravedad. En la dimensión en la que está es un chiste, pero en la dimensión de la Tierra es como si fuera un hoyo negro. Y bueno, un hoyo negro pegándole a la pared… tranquilamente tira unos cuantos libros. Esta parte ya es mucho más ficción o una tecnología alienígena muy avanzada.

En cuanto al wormhole, agujero de gusano, puente de Einstein-Rosen o esfera mágica a la que se meten para viajar, es producto de la misma curvatura del espacio-tiempo. Hay lugares donde la gravedad es tal que el espacio se pliega hasta que una parte súper lejana queda exactamente del lado opuesto al eje de la curva, como si dobláramos una hoja de papel a la mitad. En lugar de viajar por toda la superficie de la hoja de papel durante miles de años, podemos hacer un hoyo que atraviese la hoja y salir del otro lado del espacio a un lugar remoto, remoto, remoto. Como ya dijimos que el universo es un tesseract de 4 dimensiones, así como el hoyo en una hoja de papel de 3 dimensiones tiene 2 dimensiones, en una hoja de papel de 4 dimensiones tendría 3 dimensiones y pues, un hoyo en tres dimensiones es una esfera. Un hoyo en 5 dimensiones sería un tesseract, que es la forma de nuestro universo, entonces tranquilamente toda la gran cagada que nos creemos los seres humanos y nuestro universo podrían ser una coladera para un observador de 5 dimensiones… ¿y cómo sabemos que en las coladeras no hay seres bidimensionales?… pero eso es un tema para otra publicación.