El espacio es homogéneo e isótropo, ¿o no?

Octavi López Coronado / 12-11-2004

Que el espacio a nuestro alrededor no es homogéneo ni isótropo salta a la vista. Para que fuera homogéneo debería dar lo mismo estar en cualquier lugar, pero no es así. En este momento, unos kilómetros más lejos hay una tormenta. La veo desde mi balcón, aquí no llueve, así que no es lo mismo estar allí, mojándome, que seco. Y tampoco es isótropo. Para que fuera isótropo las propiedades deberían ser las mismas en cualquier dirección. Pero yo puedo desplazarme fácilmente en las direcciones del plano horizontal y, sin embargo, tengo serios problemas para ascender o descender. Por culpa de la gravedad debo salir al rellano y utilizar las escaleras o el ascensor si no quiero matarme para bajar a la calle.

Sin embargo, los físicos dicen que el espacio es homogéneo e isótropo y, además, aseguran que la física está fundamentada, entre otras cosas, en estas dos propiedades. Lo que ocurre, claro, es que cuando los físicos dicen eso se refieren al espacio mismo, quitando cualquier cosa que pueda suponer una perturbación, es decir, quitando todo lo demás. Hay que imaginarse un trozo de espacio absolutamente vacío: sin tormentas, sin planetas, sin gravedad, sin escaleras ni ascensores, sin luz, sin materia oscura, sin nada. En ese caso, afirman los físicos, sí que dará igual el lugar dónde estemos situados. Aquí o allá, si hacemos el mismo experimento, los resultados serán idénticos porque el espacio en sí es homogéneo. Y también dará igual en qué dirección estemos orientados. Orientemos el experimento hacia arriba (si es que estando totalmente aislados podemos llamar arriba a alguna dirección), hacia abajo, horizontal, o como sea, los resultados serán los mismos porque el espacio es isótropo. Así pues, el espacio es homogéneo e isótropo... ¿o no?

La idea de que el Universo, con el espacio incluido, no es isótropo la propuso George Gamow, el padre del modelo del Big Bang (Gran Explosión), ya en 1946. Gamow sugirió la posibilidad de que todo el Universo tuviese una cierta rotación en torno a un eje para dar una explicación al movimiento rotatorio de las galaxias. Si todo el Universo gira, entonces existe una dirección privilegiada, diferente de las demás: la dirección del eje de rotación. Es decir, en ese caso el propio espacio sería anisótropo. Sin embargo, su proposición no era más que una elucubración teórica.

Pero a partir de 1982 no sólo las elucubraciones teóricas sinó también los resultados experimentales le han buscado las cosquillas a la isotropía del espacio. Ese año, el físico Paul Birch publicó el artículo Is the Universe Rotating? en la revista británica Nature, en el cual analizaba los resultados experimentales obtenidos a partir de la observación de la radiación electromagnética emitida por 137 galaxias desde los años sesenta. Las galaxias emiten radiación sincrotrón, como la emitida en los aceleradores de partículas. Esto es debido a que en el seno de las galaxias existen corrientes de partículas cargadas que se mueven en círculo alrededor del núcleo. Cuando las partículas cargadas describen este movimiento emiten, inevitablemente, radiación sincrotrón.

Estas emisiones tienen la particularidad de estar polarizadas, es decir, la oscilación de la onda tiene lugar en un solo plano. Cuando las ondas polarizadas atraviesan el espacio, el ángulo de inclinación del plano de polarización sufre un determinado giro a causa de los campos magnéticos con los que se topa por el camino, debido al efecto de las galaxias que van encontrando a su paso. Es el llamado efecto Faraday. Pero Birch encontró que el ángulo de giro en el plano de polarización de esas ondas dependía ligeramente de la dirección del espacio en la que se encontraba la galaxia, independientemente del efecto Faraday. No se trataba de una dependencia directa, sino de indicios estadísticos de la existencia de anisotropía. Sin embargo, pronto aparecieron numerosas voces críticas respecto al tratamiento estadístico de los datos que había realizado Birch en su artículo y la cuestión quedó abierta.

Hace siete años, en julio de 1997, los físicos estadounidenses Borge Nodland, de la Universidad de Rochester, y John Paul Ralston, de Kansas, se enfrentaron de nuevo al estudio de la radiación electromagnética procedente de las galaxias lejanas en un artículo publicado en Physical Review Letters. La historia se repetía. Esta vez tuvieron en cuenta datos nuevos del ángulo de giro del plano de polarización de la radiación sincrotrón procedente de 160 galaxias. El resultado fue, de nuevo, un guiño estadístico a favor de la anisotropía del espacio. Según sus conclusiones, el Universo se comporta de modo parecido a un cristal birrefringente. En este tipo de cristales, la luz tiene un índice de refracción diferente según la dirección en la que se desplace. Hay un eje de birrefringencia, una dirección concreta, en la que este índice es máximo, y en cualquier dirección perpendicular a ésta el índice tiene un valor mínimo.

En el caso del Universo, el eje de anisotropía es la dirección del espacio que va de la constelación del Sextante a la del Águila. De hecho, al igual que en los cristales birrefringentes, no se trata de un solo eje sino de una dirección en el espacio. En cualquier lugar del Universo, la dirección paralela al eje mencionado se puede considerar como el eje de anisotropía. Lo que vieron Nodland y Ralston es que el ángulo de polarización de la radiación de las galaxias lejanas sufría un giro mayor cuanto más cercana al eje de anisotropía era la orientación del haz y, claro está, también mayor cuanto más lejana estaba la galaxia.

Los resultados eran, de nuevo, fruto de un análisis estadístico que no tardó en ser cuestionado por algunos científicos, como Thomas J. Loredo, de la Universidad de Cornell, pero motivó que algunos físicos teóricos, como C. Wolf de Massachussets, se apresurasen a buscar posibles explicaciones a la anisotropía que le diesen un contenido físico, o más bien cambios en la física misma que podrían desentrañar el origen de esa anisotropía. Explicaciones tan exóticas como el dotar al espacio-tiempo de un campo con características similares al espín de las partículas elementales (momento angular intrínseco de naturaleza cuántica), y con una partícula asociada llamada axión; o bien una torsión pseudoescalar, una rotación cosmológica o, por qué no, los efectos de la gravedad cuántica.

Pese al escepticismo y las críticas, Ralston y un físico hindú llamado Jain Pankaj no han tirado la toalla. Los dos científicos ampliaron la muestra de galaxias a 361 y el mes de noviembre del año pasado publicaron en la revista Modern Physics Letters un exhaustivo análisis estadístico de los datos. Afirman que existe una probabilidad de entre el 95% y el 99,99% de que el Universo sea anisótropo. Mientras los físicos discuten, la física se tambalea.

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El autor

Octavi López Coronado es Doctor en Física y divulgador científico. Actualmente trabaja como técnico de Comunicación Científica en el Área de Comunicación de la Universitat Autònoma de Barcelona.

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