Un proyecto con sello murciano que desafía la teoría de Einstein

Más de un siglo después de que Albert Einstein formulara la relatividad general, la teoría que mejor describe la gravedad sigue resistiendo todos los exámenes experimentales. Pero la física contemporánea sospecha que esa solidez esconde todavía cierta incompletud. En los lugares donde el espacio y el tiempo se curvan hasta el límite, como cuando se da la colisión entre dos agujeros negros, podrían aparecer fisuras que apunten hacia una teoría «más fundamental». En ese contexto se mueve el proyecto ‘Gravity beyond Einstein: gravitational-wave signatures of new physics’, liderado por el investigador Ramón y Cajal de la Universidad de Murcia (UMU) Pablo Antonio Cano, que acaba de recibir una ERC Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación, una de las ayudas más competitivas del sistema científico internacional, dotada con 1,5 millones de euros.

La investigación, que se desarrollará durante cinco años, tiene como objetivo explorar los límites de la teoría de Einstein mediante el estudio teórico de las ondas gravitacionales que se generan durante las colisiones cósmicas. La investigación podría abrir la puerta al descubrimiento de nueva física más allá del modelo actual.

En el caso de la relatividad general, según explica Cano, sus predicciones han sido comprobadas de forma espectacular en muchas situaciones -desde la dilatación temporal debido a la gravedad terrestre hasta la expansión del universo - pero la mayoría de estas situaciones se limitan al régimen en el que la gravedad es «débil».

La cuestión es que la teoría nunca ha sido verificada en condiciones extremas, allí donde la curvatura del espacio-tiempo alcanza valores colosales. «Solo ahora estamos empezando a examinar en detalle qué ocurre en estos casos», señala el investigador de la UMU. Al ser un terreno en el que la teoría no ha sido comprobada, es posible encontrar «sorpresas».

La dificultad para reconciliar la relatividad general con la mecánica cuántica y la presencia de singularidades -puntos en los que la teoría deja de tener sentido- son, según Cano, «indicaciones de que la teoría de Einstein no es la respuesta ‘final’ acerca de la gravedad».

Aquí entra en juego el proyecto. Cano parte de una actitud deliberadamente agnóstica: no propone una teoría concreta, sino que busca describir de forma general cómo se manifestarían pequeñas desviaciones respecto a la relatividad general cuando la gravedad es muy intensa. Esas desviaciones, cuyo tamaño es desconocido -hasta el punto de que cabe la posibilidad de que sean demasiado pequeñas para poder detectarlas-, quedarían impresas en las ondas gravitacionales producidas por las colisiones de agujeros negros, los objetos más compactos que conocemos, «brindando una oportunidad única para poder buscar estas señales de nueva física», explica.

Ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales pueden imaginarse, según explica Cano, como ondulaciones que se propagan por el espacio-tiempo, análogas a las ondas en la superficie de un estanque, aunque con diferencias cruciales: se producen por el movimiento de las masas, viajan a la velocidad de la luz y alteran las distancias entre los objetos a su paso. Todos los cuerpos en movimiento las generan, pero solo en «eventos monstruosos», como las fusiones de agujeros negros, alcanzan una intensidad suficiente para ser detectadas desde millones de años luz.

El proyecto se centra en una fase muy concreta de esas colisiones: el instante posterior a la fusión, cuando el agujero negro resultante «vibra» antes de estabilizarse «como el timbre de una campana». «Analizando el sonido, uno podría determinar todas las características de la campana que lo produjo», explica. En el caso de un agujero negro, ese timbre informa de su masa y rotación, pero también de cómo se comporta la gravedad en condiciones extremas. «Esto nos permite poner a prueba la teoría de Einstein con todo lujo de detalle, e incluso buscar pequeñas desviaciones».

Los resultados se aplicarán al análisis de datos de los detectores actuales (LIGO, Virgo y KAGRA), así como a los que se pondrán en marcha en la próxima década, que permitirán estudiar millones de colisiones con un nivel de detalle inédito.

El desenlace no está escrito. «En el peor de los casos, podremos acotar aún más el rango en el que podría encontrarse la nueva física; en el mejor, podríamos demostrar que la teoría de Einstein no es completa», afirma Cano. Un hallazgo así tendría consecuencias «imprevisibles, pero ciertamente extraordinarias», capaces de «poner la física fundamental patas arriba» y, con ello, de sacudir los cimientos mismos de nuestra comprensión del universo.

Pablo Cano: «La investigación tiene implicaciones clave para la pregunta de cómo comenzó el universo»

Fascinado desde joven por las grandes preguntas del universo, esas que hacen que la realidad parezca casi magia, este físico teórico nacido en La Alberca ha construido una carrera marcada por la curiosidad y la perseverancia. Desde el impacto que le causó la lectura de Stephen Hawking hasta su trabajo actual en gravedad, agujeros negros y ondas gravitacionales, su investigación se mueve en la frontera del conocimiento, allí donde se pone a prueba la teoría de Einstein.

¿Recuerda el momento en que decidió dedicarse a la física teórica y qué fue lo que más le fascinó entonces?

Principalmente, hubo dos factores. En segundo de Bachillerato tuve un profe de física muy bueno que me hizo interesarme por el tema. Por otra parte, en mi casa había un libro con el imponente título ‘Historia del tiempo’ (el famoso libro de Stephen Hawking). Recuerdo leérmelo y quedarme absolutamente fascinado con los desarrollos de la física moderna, que nos dicen que el mundo funciona de una manera totalmente diferente a como lo imaginamos. Es casi como descubrir que la magia es real. Necesitaba saber el porqué de las cosas. Cómo funciona la naturaleza. Creo que todos los que nos dedicamos a la física teórica compartimos esta misma inquietud.

Estamos muy lejos de una revolución científica como la vivida a principios del siglo XX

¿Estamos viviendo una nueva revolución científica comparable a la que provocó Albert Einstein hace un siglo?

Aunque estamos viviendo una época de avances experimentales impresionantes, de momento estamos muy lejos de una revolución científica como la vivida a principios del siglo XX tanto con la relatividad como con la física cuántica. Por supuesto, ahora sabemos muchas más cosas de las que sabíamos hace 100 años, por ejemplo, en áreas como la cosmología y la física de partículas. Sin embargo, los pilares en los que se sustenta toda la física moderna (relatividad y cuántica) permanecen inamovibles. En cierto sentido esto es muy frustrante para los físicos teóricos. A todos nos gustaría descubrir nueva física, o incluso, ver un cambio de paradigma, pero nunca se sabe si ese momento llegará. Nuestra misión es seguir adelante y hacer lo mejor que podamos. Las ondas gravitacionales nos proporcionan una nueva oportunidad.

A los físicos nos gustaría ver un cambio de paradigma, pero nunca se sabe si ese momento llegará

¿Por qué debería importarle al ciudadano común lo que ocurre en las profundidades del espacio y en torno a los agujeros negros? ¿Qué implicaciones tiene su estudio?

Porque la curiosidad humana y nuestra necesidad de saber de dónde venimos y por qué estamos aquí, son cuestiones importantes. Los mayores misterios de la física tienen que ver con la gravedad. ¿Cómo comenzó el universo? ¿Qué ocurre en el interior de un agujero negro? Ambas preguntas están relacionadas pues una tiene que ver con el origen del tiempo, y la otra con el final de este. Nuestra investigación tiene implicaciones fundamentales para estas cuestiones pues si detectamos una desviación respecto a la teoría de Einstein, nuestra forma actual de afrontar estas preguntas cambiaría por completo.

Los pilares en los que se sustenta toda la física moderna permanecen inamovibles

¿Cómo se hace ciencia de frontera desde una universidad pública española y qué papel juega Europa en ese esfuerzo?

Se hace con muchísimo esfuerzo y dedicación. El mayor problema (y cualquier científico español lo corroborará) es la inmensa carga de tareas a la que estamos sometidos, incluyendo burocracia a la cual tenemos que dedicar una gran parte de nuestro tiempo y energía. En otros países de Europa, los investigadores tienen más facilidades y más apoyo de sus respectivos gobiernos (tanto estatales como regionales). En ese sentido, la financiación europea (como la que tengo la suerte de disponer) es muy importante para poder ser competitivos. Por otra parte, para no quedarme solo en lo negativo, he de decir que me siento un privilegiado de poder realizar este trabajo en mi propia ciudad. Y la gente debe saber que en nuestra universidad hay muchos científicos que son referentes a nivel internacional y que estamos comprometidos con hacer de este un centro de excelencia. Creo que la universidad pública debería poner en valor a los que hacemos ciencia excelente y darnos más facilidades para que podamos realizar nuestro trabajo de la mejor manera posible.

Uno de los mayores problemas a los que nos enfrentamos los investigadores es la gran carga burocrática

¿Qué cree que entenderemos sobre el universo dentro de 50 años que hoy nos parece completamente inaccesible?

Es difícil de imaginar, pero diré cosas que me gustaría que ocurrieran. Mediremos el ‘timbre’ de los agujeros negros con varios dígitos de precisión, detectaremos ondas gravitacionales producidas en los primeros instantes del universo, habremos identificado qué es la materia oscura, habremos observado agujeros negros primordiales (aquellos formados en el universo primigenio). Y, en el marco teórico, habremos conseguido entender el misterio del interior de los agujeros negros.