Feel the power

Enlazando con la última entrada, ésta tratará de cómo conseguir la energía necesaria para el viaje en el tiempo. También está inspirado en el artículo que mencioné en la entrada anterior.

La tecnología para construir máquinas del tiempo no parece que esté a nuestra disposición a corto plazo, pero podría estar en manos de una civilización más avanzada. Así que a continuación enumeraré alguna de las opciones de las que dispondría una civilización avanzada que necesitase obtener grandes cantidades de energía.
No importaría tanto el cómo la empleasen para fabricar dispositivos para el viaje en el tiempo como la forma de obtenerla. El siguiente artículo no trata más que de la exposición de algunas ideas del físico Freeman Dyson.
Pero antes de comentar las especulaciones de Dyson es conveniente introducir con algún detalle la clasificación de civilizaciones de Nicolái Kardashev. Se trata de una clasificación pensada como una guía heurística a la hora de analizar qué tipo de civilizaciones extraterrestres podrían comunicarse a través de ondas de radio con nosotros. Para Kardashev, el parámetro fundamental a la hora de establecer una clasificación en tipos sería la energía en la comunicación interestelar, ya que eso daría una idea del grado de desarrollo de tal civilización. Los tipos principales son tres:

- Tipo I. Dispondrían de energía a escala planetaria. Podrían emplear toda la energía que se produce en la Tierra para la comunicación interestelar. Las cifras empleadas por Kardashev se refieren a la producción de energía en los años sesenta del siglo pasado, así que no hay una diferencia importante con la producción actual en lo que a este asunto se refiere. Por lo tanto, nosotros no habríamos alcanzado, estrictamente hablando, el tipo I de civilización. Sea como sea, dentro del primer tipo se encontrarían civilizaciones de un nivel tecnológico similar al nuestro. No parece probable que una civilización tipo I pueda plantearse viajar al pasado o a un futuro muy lejano, salvo que exista algún descubrimiento sensacional en el campo de la física que lo permita.

- Tipo II. Su disponibilidad de energía para la comunicación interestelar sería equivalente a la generada por una estrella del tipo del Sol. Es decir, podrían emplear toda la energía producida por una estrella en forma de radiación electromagnética (luz, calor, etc.). Quizá una civilización a este nivel pudiese ya construir agujeros de gusano o motores de distorsión, pero quizá la energía disponible no fuese suficiente para ello.

- Tipo III. Lo mismo que en el caso anterior pero para toda una galaxia.

Parece que en este caso el viaje en el tiempo sería una realidad, si físicamente fuera posible, ya que podrían manejar todo tipo de objetos astrofísicos a su antojo.

Centrándonos en las civilizaciones de tipo II, ¿cómo podrían obtener tanta cantidad de energía? La respuesta se encuentra en un hipótesis sugerida por Dyson: podrían construir una esfera gigantesca rodeando la estrella, o, lo que es lo mismo, una esfera de Dyson. A Dyson se le ocurrió está idea pensando en la posibilidad de que si una civilización construyese un artefacto así emitiría en el infrarrojo de una forma muy característica. El propio Dyson ha comentado que la inspiración le vino de la lectura de Hacedor de estrellas de Olaf Stapledon. Una esfera así sería muy efectiva para recoger la radiación de la estrella que rodease, pero presenta serios inconvenientes para su construcción.
Tras proponer su existencia y los parámetros de observación correspondientes a lo largo de los años, Dyson ha considerado algunos problemas relacionados con su construcción. En todo momento los razonamientos de Dyson están basados en una física muy básica y muy general. Lo más importante sería buscar la cantidad suficiente de material para construirla, lo cual es fácil ya que no tendríamos más que destrozar unos cuantos planetas como la Tierra y habría masa suficiente. Incluso solamente con la masa de la Tierra sería posible construir una esfera; muy delgadita, pero se podría. Pero para hacernos una idea, empleando una masa como la de Júpiter tendríamos de sobra. Otro tema a considerar sería el material de construcción, ya que una esfera tan grande estaría sometida a grandes tensiones, como resultado de la gravedad de la estrella y su movimiento de rotación, porque la esfera habría de girar para poder mantener un sistema de gravedad artificial en la zona de su ecuador, si es que se pretende que la esfera sea habitable. No conocemos materiales que puedan aguantar tales tensiones, pero tampoco es algo crucial. La solución para este problema guarda relación con otro de los problemas que presenta la construcción de una esfera de Dyson.
El otro problema es la estabilidad gravitatoria. Una esfera de Dyson no es estable gravitatoriamente, ya que bastaría un pequeño movimiento para que se alejara de su posición inicial hasta chocar con la estrella que rodea. La razón se encuentra en el hecho de que un objeto hueco tiene un campo gravitatorio en su interior, no hay atracción por parte de la esfera de Dyson hacia los objetos de su interior (por eso hay que hacerla rotar para que en algunas zonas de ella exista una gravedad artificial: al hacerla girar se puede simular una atracción gravitatoria en zonas próximas al ecuador de la esfera). Además, los choques con meteoritos podrían hacer que se desviase y al final chocase con la estrella debido a que la esfera no es lo suficientemente estable como para que esas pequeñas modificaciones de la trayectoria no la desvíen. Una forma de resolver este problema sería considerar una esfera que no sea compacta, sino constituida por una gran cantidad de sectores relativamente pequeños cuya órbita pudiera guiarse con diversos dispositivos como velas solares u otros sistemas de propulsión.
Si la civilización que construyera la superestructura fuera menos ambiciosa podría conformarse con aprovechar solamente una parte de la energía disponible y construir no una esfera, sino otro tipo de estructura, como por ejemplo un anillo. Al igual que una esfera, un anillo es inestable, más inestable aún que la esfera, y por lo tanto presenta más problemas de construcción que la esfera.

Pero esta obtención de energía mediante esferas de Dyson podría resultar insuficiente para algunas civilizaciones avanzadas.¿Existe alguna otra forma de obtener energía de una estrella sin tratar de aprovechar toda la energía electromagnética que emite hacia el espacio interestelar? Sí, existe. Y para ello habría que emplear lo que Dyson ha denominado "máquinas gravitatorias". En realidad, dichas máquinas no serían tales, sino que serían sistemas constituidos por planetas, estrellas, y grandes objetos. Con ellas la ingeniería cósmica alcanza cotas auténticamente deslumbrantes. La idea que hay detrás de su empleo es que la energía gravitatoria que puede obtenerse de una estrella es mucho mayor que la que se puede obtener gracias a la radiación electromagnética.
Cuando dos estrellas rotan la una alrededor de la otra formando un sistema binario emiten radiación en forma de ondas gravitatorias. Al igual que una onda en la superficie del agua la deforma o una onda acústica comprime y expande el aire a su paso, una onda gravitatoria deforma el espacio-tiempo. No obstante, las ondas gravitatorias son tremendamente débiles y se necesitan masas muy grandes confinadas en regiones del espacio relativamente pequeñas para que sean intensas. Una civilización avanzada siempre podría tratar de aprovechar directamente las ondas que pudieran emitir sistemas de dos o tres estrellas muy compactas como son las estrellas de neutrones o las enanas blancas, aunque éstas tengan menor densidad que las primeras.Pero hay otro procedimiento mucho más simple y eficiente.
Se trataría de enviar un cuerpo masivo hacia el sistema binario de estrellas de forma que pasase cruzando en las órbitas y ganase energía gravitatoria en su órbita a costa del sistema estelar. Luego se aprovecharía la energía cinética que se ha ganado a costa de la energía gravitatoria del sistema estelar. Como la energía disponible en un sistema de dos estrellas enanas blancas o de neutrones es muy grande, el paso de un planeta que les reste energía no consume sino una pequeña fracción de la energía disponible. El mecanismo mediante el cual el planeta que se acerca al sistema estelar les "roba" energía gravitatoria a las dos estrellas es similar al que emplean las sondas espaciales para propulsarse hacia el Sistema Solar exterior, un efecto de onda gravitatoria. Incluso podría enviarse no un planeta, sino una estrella, hacia el sistema binario. Estamos hablando ya de enormes cantidades de energía. Pero, ¿cómo mover los planetas y las estrellas para construir tales máquinas gravitatorias?

Dyson propone emplear lo que él llama sistemas de eyección de masas. Estos sistemas serían dispositivos fijados al cuerpo que queremos mover y que expulsarían materia a altas velocidades desde la superficie del mismo. Su principio de funcionamiento es muy simple: del mismo modo que una escopeta produce un retroceso al disparar, un sistema así tendría un retroceso a la hora de expulsar masas a grandes velocidades. Su fundamento es uno de los principios fundamentales de la física, la conservación del producto de la masa por las velocidades en un sistema de cuerpos. En una escopeta el sistema está constituido por la escopeta y las balas dentro de los cartuchos (o perdigones). En un primer momento tanto las balas como la escopeta se encuentran en reposo. Al disparar las balas a una velocidad muy alta la única forma de que se conserve ese producto de las masas por las velocidades es produciendo un retroceso en el cañón de la escopeta. Ese es el principio del funcionamiento de la propulsión por eyección de masas. En el caso de un planeta o una estrella las masas que habría que "disparar" (las balas o perdigones) tendrían que ser muy grandes. Y, por supuesto, el tiempo de movimiento de los planetas o estrellas sería muy lento. En el caso de un planeta bastaría con ubicar enormes cañones en la superficie; en el de una estrella, habría que emplear enormes campos magnéticos para expulsar enormes masas de gas de la estrella. La energía que se emplearía para mover estrellas y planetas, y la que se podría obtener con ello, ya podría ser suficiente para fabricar máquinas que deformen el espacio-tiempo.

Por último, todavía podemos considerar una forma aún más espectacular de obtener energía. En este caso habría que emplear nada más y nada menos que agujeros negros. Roger Penrose ha demostrado que puede obtenerse energía a costa de la energía gravitatoria de un agujero negro en rotación. Podríamos hacerlo disponiendo dos grandes estructuras que rodeasen el agujero negro a cierta distancia. Por ejemplo, dos esferas o anillos. Su mecanismo de funcionamiento sería muy simple: no habría más que dejar caer un objeto masivo desde una estructura y recogerlo en la otra. Con la trayectoria adecuada podría obtenerse gran cantidad de energía.

Rock around the clock

Esta entrada trata de los viajes en el tiempo, y se fundamenta en un artículo que encontré en Internet, pero cuya dirección no recuerdo ni tengo guardada en el historial.

La idea básica en la que se fundamenta el viaje en el tiempo es tremendamente simple y una de las más importantes de toda la física: el espacio y el tiempo deben entenderse como partes de una sola entidad geométrica: el espacio-tiempo. Es la idea básica que hay tras la relatividad de Einstein y todas las teorías sobre la gravitación de que dispone la física contemporánea. En este caso la ciencia ficción se adelantó un poco a la ciencia, ya que Herbert George Wells ya intuía en su novela La máquina del tiempo que un viaje de este tipo conllevaba algún tipo de viaje geométrico, dándole al tiempo un sentido que de algún modo intuía el futuro desarrollo de la relatividad por parte de Albert Einstein, Henri Poincaré y Heindrik Lorentz.

Una vez se acepta el hecho de que el espacio y el tiempo forman una misma entidad geométrica se pueden deducir fácilmente procedimientos para viajar por el tiempo, ya que posiblemente al formar parte de una misma entidad un viaje espacial podría llevar asociado un viaje temporal. La introducción del espacio-tiempo como un todo se debe principalmente a Einstein y a Herman Minkowsky, quienes proporcionaron un formalismo geométrico al que deberían adaptarse todas las teorías de la física. La relatividad especial de Einstein no es una teoría sobre propiedades físicas dependientes del movimiento de los cuerpos, como erróneamente se cree, sino un marco geométrico para las teorías físicas, viniendo dadas las medidas relativas de algunas variables físicas como resultado de la imposición de ese marco geométrico subyacente. Aun así, tal teoría no es suficiente para asegurarnos viajes en el tiempo.

En el contexto de la teoría especial de la relatividad de Einstein solo hay dos formas de viajar en el tiempo, o al menos dos que no necesiten del concurso de alguna teoría exótica y poco fundamentada. Una de ellas es desplazarse a altas velocidades, ya que la percepción que tienen del tiempo dos observadores que se muevan el uno respecto a otro a velocidad constante es diferente (paradoja de los gemelos). También existen formas de viajar al pasado en el contexto de la relatividad especial. Podría hacerse si uno pudiese viajar a velocidades mayores que la velocidad de la luz en el vacío. Pero hay un problema, no se puede acelerar ningún objeto físico con masa distinta de cero hasta la velocidad de la luz en el vacío. Se trata de uno de los resultados fundamentales de la teoría de la relatividad. Se requeriría una energía infinita. No hay modo de hacerlo, pero, ¿y si el cuerpo siempre se moviese a una velocidad mayor que la de la luz en el vacío? En ese caso podría realmente viajar al pasado desde el futuro, pero siempre en un espacio habitado únicamente por partículas más veloces que la luz, que se denominan taquiones.

Hasta ahora nadie ha detectado taquiones en un laboratorio y es bastante probable que no existan, o que si lo hacen no sean útiles para un viaje. En cualquier caso sólo podríamos viajar si estuviésemos constituidos por taquiones, que no es el caso, y no es fácil imaginarse como podría realizarse una conversión de materia normal a materia taquiónica. Además, los taquiones plantean una serie de problemas y paradojas de modo que son muy pocos los físicos que creen realmente en su existencia. No obstante, sí que podrían emplearse si existiesen, para transmitir información al pasado.

La relatividad nos permite viajar al futuro pero no al pasado. De hecho el viaje al futuro a altas velocidades es el único tipo de viaje temporal que podríamos realizar con la tecnología actual. Pero no podríamos volver al tiempo de partida y, en cualquier caso, el viaje al pasado es el que resulta mucho más interesante. Hay que recurrir a una teoría que partiendo de la misma idea geométrica que la relatividad especial vaya más allá. Se trata de la teoría de la gravitación o relatividad general.
Esta teoría sigue manteniendo que hemos de hablar en términos de espacio-tiempo como un todo, pero introduce un nuevo factor en las ecuaciones, el efecto de la materia sobre la geometría. La relatividad especial se puede aplicar a observadores que se muevan a velocidad constante, pero no si se mueven de forma acelerada o bajo la acción de la gravedad. La relatividad general puede aplicarse en estos casos. De hecho, esta teoría relaciona las propiedades de los observadores acelerados con la gravedad. La idea fundamental de la relatividad general es la siguiente: la presencia de materia deforma la geometría del espacio-tiempo. El primero en llegar a esta conclusión fue Einstein, quien, partiendo de una hipótesis conocida como principio de equivalencia, estableció que la presencia de materia crea una curvatura en el espacio. Si la materia se distribuye de forma adecuada se puede curvar el espacio-tiempo, se puede deformar de tal modo que si realizamos un viaje a través del espacio también podemos realizar un viaje a través del tiempo. Por lo tanto, para construir una máquina del tiempo hemos de crear una distribución de materia que permita tal grado de deformación de la geometría del espacio-tiempo.

Se han propuesto varios métodos de viaje temporal, algunos incluso han sido empleados por los autores de ciencia ficción en sus historias, pero aquí solo mencionaré los tres más importantes y factibles; y sólo trataré el que no se ha visto en clase. Se trata de los atajos a través del espacio-tiempo, espacio-tiempos con simetrías de rotación en torno a un eje, y distorsiones del espacio-tiempo del tipo “motor de distorsión”.
Del que no hemos tratado en clase es el segundo caso: se puede viajar por el tiempo a través de espacio-tiempos en rotación. Esto fue descubierto por el matemático Kurt Gödel en los años cuarenta del pasado siglo. En concreto Gödel lo demostró haciendo referencia al universo como un todo. Es decir, si nuestro universo girarse en torno a un eje sería posible un viaje al pasado viajando a una galaxia lejana. El problema que tiene este método de viaje en el tiempo es que nuestro universo no rota, o lo hace tan lentamente que no percibimos su giro, por lo que el método del viaje de Gödel no es factible. Pero no todo está perdido, hay otras posibilidades. Un cilindro infinito muy compacto con una masa enorme confinada en su seno podría servirnos, simplemente tendríamos que mover una nave en círculos a su alrededor a velocidades muy elevadas. Pero tampoco existe un cilindro así, ¿qué hacemos entonces? Buscar una cuerda cósmica.
Las cuerdas cósmicas son una variedad de lo que se conoce como defectos topológicos. Se ha sugerido que pueden existir a partir de las diferentes teorías que explican el Big Bang, pero no se ha detectado ninguna todavía. Podríamos decir que las cuerdas cósmicas son los grumos del espacio-tiempo. Serían algo como los bultos de aire que quedan atrapados en el forro adhesivo cuando forramos un libro y que no hay forma de que desaparezcan por mucho que apretemos. Las cuerdas serían algo así, regiones del espacio con forma de cuerda, líneas en las cuales ha quedado un grumo y que no pueden ser eliminadas. Si realmente existen tendrán propiedades muy curiosas, aunque para fabricar una máquina del tiempo lo que nos interesa es que viajar en torno a ellas a gran velocidad sería como hacerlo en torno al hipotético cilindro infinito. Incluso el viaje al pasado podría ser más sencillo todavía. Si dos cuerdas estuviesen los suficientemente cerca habría una región en torno a ellas con forma de cuña en la cual moviéndonos de forma adecuada por sus cercanías podríamos viajar al pasado más eficientemente que dando vueltas alrededor de una sola cuerda. Pero el viaje podría ser muy peligroso. Tanto cerca de un agujero de gusano como de una estrella de neutrones o una cuerda cósmica hay que tener mucho cuidado porque los campos gravitatorios son tan intensos que un pequeño fallo podría convertir a los viajeros temporales en unos espaguetis.

Esto es en esencia de lo que trata el tercer método para viajar en el tiempo.
Y en breves momentos la última entrada del blog.