La primera detección de ondas gravitacionales en 2016 proporcionó una confirmación decisiva de la teoría general de la relatividad de Einstein. Pero otra predicción asombrosa permanece sin confirmar: según la relatividad general, cada onda gravitacional debería dejar una huella indeleble en la estructura del espacio-tiempo. Debería deformar permanentemente el espacio, desplazando los espejos de un detector de ondas gravitacionales incluso después de que la onda haya pasado.
Desde esa primera detección hace casi seis años, los físicos han estado tratando de averiguar cómo medir este llamado «efecto de memoria».
“El efecto memoria es un fenómeno absolutamente extraño, extraño”, dijo Paul Lasky, astrofísico de la Universidad de Monash en Australia. «Es algo realmente profundo».
Sus objetivos son más amplios que solo vislumbrar las cicatrices permanentes del espacio-tiempo dejadas por una onda gravitacional que pasa. Al explorar los vínculos entre la materia, la energía y el espacio-tiempo, los físicos esperan llegar a una mejor comprensión de la paradoja de la información de los agujeros negros de Stephen Hawking, que ha sido un foco importante de investigación teórica durante cinco décadas. “Existe una conexión íntima entre el efecto memoria y la simetría del espacio-tiempo”, dijo Kip Thorne, físico del Instituto de Tecnología de California cuyo trabajo sobre ondas gravitacionales le valió parte del Premio Nobel de Física 2017. «Está conectado en última instancia a la pérdida de información en los agujeros negros, un problema muy profundo en la estructura del espacio y el tiempo».
¿Por qué una onda gravitacional cambiaría permanentemente la estructura del espacio-tiempo? Todo se reduce a la íntima vinculación de la relatividad general entre el espacio-tiempo y la energía.
Primero, considere lo que sucede cuando una onda gravitacional pasa por un detector de ondas gravitacionales. El Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) tiene dos brazos colocados en forma de L. Si imagina un círculo que circunscribe los brazos, con el centro del círculo en la intersección de los brazos, una onda gravitacional distorsionará periódicamente el círculo, apretándolo verticalmente, luego horizontalmente, alternando hasta que la onda haya pasado. La diferencia de longitud entre los dos brazos oscilará, comportamiento que revela la distorsión del círculo y el paso de la onda gravitacional.
Según el efecto memoria, después del paso de la onda, el círculo debería quedar permanentemente deformado por una pequeña cantidad. La razón por la cual tiene que ver con las particularidades de la gravedad tal como las describe la relatividad general.
Los objetos que detecta LIGO están tan lejos que su atracción gravitacional es insignificante. Pero una onda gravitacional tiene un alcance más largo que la fuerza de gravedad. También lo hace la propiedad responsable del efecto memoria: el potencial gravitacional.
En términos simples de Newton, un potencial gravitacional mide cuánta energía ganaría un objeto si cayera desde cierta altura. Deje caer un yunque de un acantilado, y la velocidad del yunque en la parte inferior se puede utilizar para reconstruir la energía «potencial» que puede impartir caer desde el acantilado.
Pero en la relatividad general, donde el espacio-tiempo se estira y aplasta en diferentes direcciones dependiendo de los movimientos de los cuerpos, un potencial dicta más que solo la energía potencial en una ubicación: dicta la forma del espacio-tiempo.
«La memoria no es más que el cambio en el potencial gravitacional», dijo Thorne, «pero es un potencial gravitacional relativista». La energía de una onda gravitacional que pasa crea un cambio en el potencial gravitacional; ese cambio en el potencial distorsiona el espacio-tiempo, incluso después de que la onda ha pasado.
¿Cómo, exactamente, una onda pasajera distorsionará el espacio-tiempo? Las posibilidades son literalmente infinitas y, sorprendentemente, estas posibilidades también son equivalentes entre sí. De esta manera, el espacio-tiempo es como un juego infinito de Boggle. El clásico juego de Boggle tiene 16 dados de seis lados dispuestos en una cuadrícula de cuatro por cuatro, con una letra en cada lado de cada dado. Cada vez que un jugador sacude la cuadrícula, los dados suenan y se colocan en una nueva disposición de letras. La mayoría de las configuraciones se distinguen entre sí, pero todas son equivalentes en un sentido más amplio. Todos están en reposo en el estado de menor energía en el que podrían estar los dados. Cuando pasa una onda gravitacional, sacude el tablero cósmico de Boggle, cambiando el espacio-tiempo de una configuración inestable a otra. Pero el espacio-tiempo permanece en su estado de energía más baja.
Esa característica —que se puede cambiar el tablero, pero al final las cosas permanecen fundamentalmente igual— sugiere la presencia de simetrías ocultas en la estructura del espacio-tiempo. En la última década, los físicos han establecido explícitamente esta conexión.
La historia comienza en la década de 1960, cuando cuatro físicos querían comprender mejor la relatividad general. Se preguntaron qué sucedería en una región hipotética infinitamente alejada de toda la masa y energía del universo, donde se puede despreciar la atracción de la gravedad, pero no la radiación gravitacional. Comenzaron por observar las simetrías que obedecía esta región.
