El premio Nobel de Física 2017 ha recaído en tres físicos: una mitad del galardón para Rainer Weiss y la otra mitad para Barry C. Barish y Kip S. Thorne, por sus estudios en el detector LIGO y la observación de las ondas gravitacionales. Si queremos entender la importancia de sus investigaciones debemos analizar dos conceptos físicos de gran importancia: las ondas y la gravedad.
ONDAS
Los físicos nos dicen que una onda es la transmisión de una vibración a través de una medio material. Así, si dejamos caer una piedra en la superficie del agua, veremos que se producen unas ondulaciones que se transmiten a través de la superficie. Son las moléculas de agua que vibran, lo que da lugar a que esa vibración se desplace por la superficie. Cuando se produce un sonido, vibra el objeto que lo produce, y esa vibración se transmite a las partículas del aire, afectando a las sucesivas partículas adyacentes y transmitiéndose así dicha vibración. Este tipo de ondas se denominan ondas materiales. Necesitan un medio material (agua, aire, etc) para su transmisión. Se caracterizan por la velocidad con la que se transmiten y la frecuencia con la que vibran las partículas.
Imagen de la transmisión de la vibración del agua en forma de onda
J.C Maxwell, a mediados del siglo XIX, construyó una teoría en la que unificaba dos fenómenos físicos bien conocidos: la electricidad y el magnetismo. Como resultado de sus ecuaciones, descubrió que el campo electromagnético podía desplazarse por el vacío en forma de onda electromagnética. La velocidad de propagación de dicha onda se correspondía con la velocidad de la luz: 3000.000 km/s. Esto fue determinante para entender la naturaleza de la luz: era una onda electromagnética del tipo estudiado por Maxwell. Hoy conocemos todas la ondas del espectro electromagnético: ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La luz no es más que una pequeña parte del espectro electromagnético. Y, a diferencia de las ondas materiales, las ondas electromagnéticas no necesitan ningún medio para desplazarse.
GRAVEDAD
En el siglo XVII, I. Newton estableció el concepto de gravedad. Pensando sobre las razones que provocan la caída de los cuerpos sobre la Tierra y que impiden a la Luna alejarse de la Tierra y mantener su movimiento alrededor de ésta, llegó a la conclusión de que ambos movimientos tienen un mismo origen: la fuerza gravitatoria. Mediante su Ley de Gravitación Universal, echó por tierra las antiguas ideas de que los movimiento de los cuerpos celestes seguían leyes diferentes que las de los cuerpos terrestres. La fuerza gravitatoria es la responsable de todos los movimientos de todos los objetos de nuestro Universo.
A principios del siglo XX, A. Einstein dio un giro muy importante al concepto de gravedad. De su teoría general de la Relatividad, se deduce que el espacio y el tiempo que conforman nuestro Universo no son absolutos e independientes. Se entrelazan formado un tejido espacio-temporal curvo de cuatro dimensiones: tres para el espacio y una cuarta dimensión para el tiempo. La gravedad es la responsable de curvar dicho espacio-tiempo, de forma que el movimiento de los objetos no se debes la acción de una fuerza, tal como explicaba Newton, sino a que dichos objetos siguen el camino natural determinado por la curvatura de dicho espacio-tiempo.
Deformación gravitatoria del tejido espacio-temporal
ONDAS GRAVITATORIAS
Einstein predijo que un proceso gravitatorio lo suficientemente intenso como la colisión de dos agujeros negros podía provocar un perturbación en el tejido espacio-temporal que se transmitiese como una onda, similar a como se transmite una onda por la superficie del agua. De esta forma se originaría una onda gravitatoria. El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones entre los observatorios LIGO, Virgo y GEO600, anunciaron la primera detección de ondas gravitatorias, producidas por la fusión de dos agujeros negros situados a una distancia aproximada de la Tierra de 1300 millones de años luz.
Ondas gravitatorias originadas por la colisión de dos agujeros negros
El estudio de las ondas gravitatorias tiene un gran potencial para los físicos. Hasta ahora, la fuente principal de información sobre el Universo eran las ondas electromagnéticas. Las ondas gravitatorias abren una nueva ventana para el estudio de los fenómenos que ocurren en nuestro Universo. La gran precisión de los instrumentos de medida con los que trabajas los astrofísicos y la colaboración entre los diferentes observatorios, permitirá «escuchar» los ecos de aquellos procesos capaces de originar alteraciones en el tejido espacio-temporal que conforma nuestro Universo.
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